Vedci demonštrujú kvantovú výhodu

Kvantové výpočty a kvantové snímanie majú potenciál byť oveľa výkonnejší ako ich klasické náprotivky. Plne realizovaný kvantový počítač mohol nielen trvať niekoľko sekúnd, kým vyriešil rovnice, ktoré by klasickým počítačom mohli trvať tisíce rokov, ale mohol mať aj nevyčísliteľný dopad na polia od biomedicínskeho zobrazovania po autonómne riadenie.

Technológia však zatiaľ nestačí.

V skutočnosti, napriek rozšíreným teóriám o ďalekosiahlych dopadoch kvantových technológií, len veľmi málo vedcov dokázalo pomocou technológie, ktorá je dnes k dispozícii, dokázať, že kvantové metódy majú oproti svojim klasickým náprotivkom výhodu.

V príspevku publikovanom 1. júna v časopise Fyzická kontrola XVedci z Arizonskej univerzity experimentálne preukázali, že kvantum má oproti klasickým výpočtovým systémom výhodu.

„Demonštrácia kvantového zisku je v komunite dlho hľadaným cieľom a dokázať ho dokázalo len veľmi málo experimentov,“ uviedol spoluautor článku Zeshen Zhang, hlavný vyšetrovateľ z Arizonskej univerzity, odborný asistent v odbore materiálovej vedy a techniky. Quantum Information and Materials Group a jeden z autorov príspevku. „Snažíme sa demonštrovať, ako môžeme využiť už existujúcu kvantovú technológiu na zisk.“ aplikácie v reálnom svete„

Ako (a kedy) funguje kvantum

Kvantové výpočty a ďalšie kvantové procesy sa spoliehajú na malé a silné jednotky informácií nazývané qubits. Klasické počítače, ktoré dnes používame, pracujú s informačnými jednotkami nazývanými bity, ktoré existujú buď ako 0 s alebo 1 s, ale sú schopné byť súčasne v oboch stavoch. Táto dualita ich robí silnými a krehkými. Krehký qubits sa pravdepodobne zrúti bez varovania, čo povedie k procesu oprava chyby– Ten, kto rieši problémy hneď, ako sa stanú – veľmi dôležité.

Kvantové pole je teraz v ére, ktorú John Preskill, uznávaný fyzik z Kalifornského technologického inštitútu, nazval „Noise Intermediate Scale Quantum“ (NISQ). V ére NISQ mohli kvantové počítače vykonávať úlohy, ktoré vyžadovali iba 50 až niekoľko stoviek qubitov, aj keď so značným množstvom šumu alebo rušenia. Nič viac a toto ticho premôže nástroj, čo spôsobí zrútenie všetkého. Všeobecne sa verí, že na uskutočnenie prakticky užitočných kvantových aplikácií by bolo potrebných 10 000 až niekoľko miliónov qubitov.

Predstavte si, že vymyslíte systém, ktorý zaručí, že každé jedlo, ktoré uvaríte, bude úplne nahradené, a potom tento systém prenesiete na skupinu detí, ktoré nemajú správne prísady. Bude to skvelé za pár rokov, až budú deti dospelé a budú si môcť kúpiť veci, ktoré potrebujú. Ale do tej doby je užitočnosť tohto systému obmedzená. Podobne, kým vedci nepokročia v oblasti korekcie chýb, ktorá môže znížiť hladinu šumu, je kvantový výpočet obmedzený na malý rozsah.

Výhoda zapletenia

Experiment opísaný v tomto článku bol zmesou klasických aj kvantových techník. Konkrétne použila tri senzory na klasifikáciu priemernej amplitúdy a uhla vysokofrekvenčných signálov.

Senzory boli vybavené ďalším kvantovým zdrojom zvaným zapletenie, ktorý im umožňuje vzájomné zdieľanie informácií a ponúka dve hlavné výhody: po prvé zvyšuje citlivosť senzora a znižuje počet chýb. Po druhé, pretože sú zamotané, snímače vyhodnocujú skôr globálne vlastnosti než zhromažďujú údaje o konkrétnych častiach systému. To je užitočné pre aplikácie, ktoré vyžadujú iba jednu binárnu odpoveď; Napríklad pri lekárskom zobrazovaní vedci nemusia vedieť o každej jednej bunke vo vzorke tkaniva, ktorá nie je rakovinová – iba o jednej rakovinovej bunke. Rovnaký koncept platí pre detekciu nebezpečných chemikálií v pitnej vode.

Experiment preukázal, že vybavenie senzorov kvantovým zapletením im poskytlo výhodu oproti klasickým senzorom a znížilo tak potenciál chýb o malú, ale významnú rezervu.

„Táto myšlienka použitia zapletenia na vylepšenie senzorov sa neobmedzuje iba na konkrétny typ senzora, takže sa dá použiť na celý rad rôznych aplikácií, ak však máte zariadenie na zapletenie senzora. Ho,“ uviedla štúdia spoluautor Kuntao Zhuang, odborný asistent elektrotechnického a počítačového inžinierstva a hlavný riešiteľ Skupiny pre teóriu kvantovej informácie. „V zásade sa môžete pozrieť na aplikácie ako lidar (detekcia a rozsah svetla) pre samoriadiace autá. Môžete zvážiť , napríklad.“

Zhuang a Zhang vyvinuli teóriu, ktorá stojí za experimentom, a popísali ju v článku Physical Review X z roku 2019. Pracoval s vedúcimi autormi Yi Xia, James C. spoluautorom nového príspevku s Wei Li, doktorandom na Wyant College of Optical Sciences a postdoktorandským výskumníkom v oblasti materiálových vied a techniky.

klasifikátor qubit

Existujú existujúce aplikácie, ktoré v ére NISQ používajú zmes kvantového a klasického spracovania, ale spoliehajú sa na už existujúce klasické súbory údajov, ktoré je potrebné transformovať a klasifikovať v kvantovej oblasti. Predstavte si, že urobíte sériu fotografií mačiek a psov a potom ich nahráte do systému, ktorý pomocou kvantových metód označuje fotografie ako „mačka“ alebo „pes“.

Tím rieši proces označovania z iného uhla pohľadu, pričom na prvom mieste zhromažďuje údaje pomocou kvantových senzorov. Je to ako používať špeciálnu kvantovú kameru, ktorá sa pri fotografovaní označuje ako „pes“ alebo „mačka“.

„Mnoho algoritmov zohľadňuje údaje uložené na diskoch počítačov a potom ich prevádza do kvantových systémov, čo si vyžaduje čas a úsilie,“ uviedol Zhuang. „Náš systém pracuje na inom probléme hodnotením fyzikálnych procesov, ktoré sa vyskytujú v reálnom čase.“

Tím je nadšený z budúcich aplikácií ich práce v Crossroads kvantové snímanie a kvantové výpočty. Predpokladajú, že jedného dňa integrujú celé svoje experimentálne nastavenie na čip, ktorý je možné ponoriť do vzorky biomateriálu alebo vody na identifikáciu chorôb alebo škodlivých chemikálií.

„Myslíme si, že toto je nová paradigma pre kvantové výpočty, kvantové strojové učenie aj kvantum senzor, pretože to skutočne vytvára most na vzájomné prepojenie všetkých týchto rôznych domén, “uviedol Zhang.