Inženýři dokazují kvantovou výhodu

Vědci z University of Arizona School of Engineering a James C. Wyant College of Optical Sciences experimentálně demonstrují, jak kvantové zdroje nejsou jen sny pro vzdálenou budoucnost – mohou vylepšit dnešní technologii.

Kvantové výpočty a kvantové snímání mají potenciál být mnohem výkonnější než jejich konvenční protějšky. Plně realizovaný kvantový počítač mohl nejen trvat několik sekund, než vyřešil rovnice, které by klasickému počítači trvaly tisíce let, ale mohl mít nespočetné účinky v oblastech od biomedicínského zobrazování až po autonomní řízení.

Tato technologie tam však zatím není.

Ve skutečnosti, navzdory rozšířeným teoriím o účinku kvantových technologií na velké vzdálenosti, jen velmi málo vědců dokázalo pomocí technologie, která je nyní k dispozici, dokázat, že kvantové metody mají výhodu nad svými klasickými protějšky.

Ve výzkumném článku publikovaném 1. června 2021 v časopise X. fyzická kontrolaVědci z University of Arizona experimentálně prokázali, že kvantum má oproti klasickým výpočetním systémům výhodu.

„Demonstrace kvantové výhody je ve společnosti dlouho očekávaným cílem a jen velmi málo experimentů to dokázalo,“ uvedl spoluautor papíru Zheshen Zhang, docent vědy o materiálech a inženýrství a hlavní řešitel v UArizoně. Quantum Information and Materials Group a jeden ze spoluautorů příspěvku. „Snažíme se ukázat, jak můžeme využít kvantové technologie, která již existuje pro aplikace v reálném světě.“

Jak (a kdy) funguje kvantum

Kvantové výpočty a další kvantové procesy se spoléhají na malé výkonné informační jednotky zvané qubits. Klasické počítače, které dnes používáme, pracují s informačními jednotkami zvanými bity, které existují buď jako nuly, nebo jako singly, ale qubity mohou existovat v obou státech současně. Tato dualita je činí silnými a křehkými. Mikro qubity jsou náchylné ke kolapsu bez varování, což činí proces zvaný oprava chyb – který řeší takové problémy, jaké se vyskytují – tak důležitým.

Quuntao Zhuang (vlevo), hlavní řešitel skupiny Kvantová informační teorie, a Zheshen Zhang, hlavní řešitel skupiny Kvantové informace a materiály, jsou odbornými asistenty na Vysoké škole inženýrství. Uznání: University of Arizona

Kvantové pole je nyní v éře, kterou slavný fyzik John Preskill z Kalifornského technologického institutu nazýval „kvantovým šumem v mezilehlém měřítku“ nebo NISQ. V éře NISQ mohou kvantové počítače provádět úkoly, které vyžadují pouze asi 50 až několik set qubitů, a to navzdory přítomnosti významného množství šumu nebo rušení. Víc než to a hluk přemůže zájem, což vede ke zhroucení všeho. Obecně se věří, že k implementaci prakticky užitečných kvantových aplikací je zapotřebí 10 000 až několik milionů qubitů.

Představte si, že vymýšlíte systém, který zajistí, že každé vařené jídlo skončí perfektně, a poté tento systém dáte skupině dětí, které nemají správné přísady. Bude to skvělé za pár let, až budou děti dospělé a budou si moci koupit, co potřebují. Ale do té doby je užitečnost systému omezená. Podobně, dokud vědci nepokročí v oblasti korekce chyb, což může snížit hladinu šumu, jsou kvantové výpočty omezeny na malý rozsah.

Výhody vzájemného propojení

Experiment popsaný v článku používal kombinaci klasických a kvantitativních technik. Konkrétně použil tři senzory ke klasifikaci průměrné amplitudy a úhlu RF signálů.

Senzory jsou vybaveny dalším kvantovým zdrojem zvaným zapletení, který jim umožňuje vzájemné sdílení informací a poskytuje dvě hlavní výhody: Za prvé zlepšuje citlivost senzoru a snižuje chyby. Za druhé, protože jsou vzájemně propojeny, senzory vyhodnocují spíše globální vlastnosti než shromažďují data o konkrétních částech systému. To je užitečné pro aplikace, které potřebují pouze binární odpověď; Například v lékařském zobrazování vědci nepotřebují znát každou buňku ve vzorku tkáně, která není rakovinná – pouze to, zda je jedna buňka rakovinná. Stejný koncept platí pro detekci nebezpečných chemikálií v pitné vodě.

Zkušenosti ukazují, že vybavení senzorů kvantovým zapletením jim poskytlo výhodu oproti klasickým senzorům a snížilo možnost chyb o malou, ale kritickou rezervu.

„Myšlenka použití blokování ke zlepšení senzorů se neomezuje pouze na konkrétní typ senzoru, takže ji lze použít pro řadu různých aplikací, pokud máte zařízení pro blokování senzorů,“ uvedla studie autor Quuntao. Zhuang, odborný asistent elektrotechniky a výpočetní techniky a hlavní řešitel ve skupině Teorie kvantové informace. „Teoreticky byste mohli myslet například na aplikace jako lidar (detekce světla a hledání dosahu) pro samojízdné automobily.“

Zhuang a Zhang vyvinuli a popsali teorii experimentu v roce 2019 X. fyzická kontrola papír. Spoluautorem nového příspěvku byli hlavní autorka Yi Xia, doktorandka na James C. Weant College of Optical Sciences, a Wei Li, postdoktorský výzkumník v oboru materiálových věd a inženýrství.

Sešity Qubit

V současné době existují aplikace, které využívají kombinaci kvantového a klasického zpracování v éře NISQ, ale spoléhají na již existující klasické datové sady, které je třeba v kvantovém světě transformovat a kategorizovat. Představte si, že pořídíte sérii fotografií koček a psů a poté je nahrajete do systému, který pomocí kvantových metod označuje fotografie jako „kočka“ nebo „pes“.

Tým přistupuje k procesu označování z jiného úhlu a pomocí primárních sbírek jejich dat využívá kvantové senzory. Je to jako používat specializovanou kvantovou kameru, která při fotografování označuje fotografie jako „pes“ nebo „kočka“.

„Mnoho algoritmů bere v úvahu data uložená na disku počítače a poté je převádí na kvantový systém, což vyžaduje čas a úsilí,“ řekl Zhuang. „Náš systém řeší jiný problém vyhodnocením fyzikálních procesů, ke kterým dochází v reálném čase.“

Tým je nadšený z budoucích aplikací jejich práce na křižovatce kvantového snímání a Kvantitativní statistika. Dokonce si představili, že jednoho dne začlení celé experimentální nastavení na sklíčko, které by bylo možné ponořit do vzorku biomateriálu nebo vody, aby bylo možné identifikovat chorobu nebo škodlivé chemikálie.

„Myslíme si, že je to nové paradigma jak pro kvantové výpočty, tak pro kvantové strojové učení a kvantové senzory, protože skutečně vytváří most k propojení všech těchto různých oblastí,“ řekl Zhang.

Odkaz: „Kvantová vylepšená klasifikace dat se sítí proměnných synaptických senzorů“, autor: Yi Xia, Wei Li, Kuntao Zhuang a Jichen Zhang, 1. června 2021, k dispozici zde. X. fyzická kontrola.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.021047