Quantum Bits Komprimert for første gang


Mange typer informasjon, inkludert JPEG-formatbilder av D-Waves nyeste kvantebehandlingswafer, kan komprimeres for å ta mindre plass, men i kvante datamaskiner presenterer feaken unike utfordringer. Uten algoritmer som komprimerer data for å kode informasjon til færre biter, vil harddiskene tette opp og Internett-trafikken vil sakte til en snegls tempo. N

Mange typer informasjon, inkludert JPEG-formatbilder av D-Waves nyeste kvantebehandlingswafer, kan komprimeres for å ta mindre plass, men i kvante datamaskiner presenterer feaken unike utfordringer.

Uten algoritmer som komprimerer data for å kode informasjon til færre biter, vil harddiskene tette opp og Internett-trafikken vil sakte til en snegls tempo. Nå har en gruppe fysikere i Canada vist for første gang at det er mulig å komprimere typen data som kan brukes i morgendagens datamaskiner, kjent som kvantbiter eller qubits.

Kvantum-datamaskiner lover å utføre bestemte oppgaver, for eksempel sprekking av krypteringsnøkler eller søkedatabaser, eksponentielt raskere enn konvensjonelle datamaskiner. Et slikt tempo er mulig delvis fordi i en klassisk datamaskin litt informasjon kan være enten en 0 eller en 1, kan en kvantecomputer lagre informasjonen som begge verdier samtidig, slik at den kan eksistere i et bredt spekter av "superposisjoner" av de to statene.

Kvanteteknologien er fortsatt i sin barndom, og mange prosesser som er vanlige i klassiske datamaskiner, har ennå ikke blitt demonstrert i kvante datamaskiner, inkludert datakomprimering. Aephraim Steinberg, en kvantefysiker ved University of Toronto, og hans kolleger satte seg for å utføre det som virket som en enkel oppgave: å komprimere informasjonen i en rekke like qubits.

Klassisk peker de på at en slik operasjon ville være trivial, fordi en serie med et hvilket som helst antall identiske biter koder i det vesentlige samme informasjon som bare en bit. For kvanteobjekter er dette imidlertid ikke tilfelle. Kvantemekanikkens probabilistiske karakter betyr at samme måling som er gjort på forskjellige, men identisk forberedte, qubits vil gi en rekkeverdier. Som sådan er det nøyaktig å registrere kvanteverdien av bare en qubit innebærer å ta målinger av flere identiske kopier og gjennomsnittlig resultatene.

Betydningen av orden
Steinberg og hans medarbeidere har vist hvordan å redusere spredning av qubits ved å utnytte det faktum at det meste av informasjonen som kodes av slike gjenstander, er knyttet til deres bestilling, i stedet for deres kvantestatus.

Hvis for eksempel tre qubits hver kan være i en superposisjon på 0 og 1, vil måling gi åtte mulige utfall: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 eller 111. Men for de gjennomsnittlige målingene er det bare fire Alternativer: 0, 1/3, 2/3 eller 1. For eksempel gir 001 (0 + 0 + 1) / 3 = 1/3, som 010 og 100 (de samme sifrene, men i en annen rekkefølge); 110 utbytter (1 + 1 + 0) / 3 = 2/3, akkurat som 101 og 011 gjør.

Fordi qubits er identiske, kan den ekstra informasjonen i bestillingen enkelt kasseres, sier forskerne. For å gjøre poenget, tegner Steinberg en klassisk-fysikkanalyse. "Å holde all informasjonen, " sier han, "er som å lagre Shakespeare's komplette arbeid bare for å finne ut de gjennomsnittlige prisene som brevene brukes på engelsk." Resultatene skyldes å vises i Fysiske gjennomgangstavler .

Forskningen bygger på arbeidet til en gruppe teoretiske fysikere ledet av Isaac Chuang fra Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, som i 2006 viste matematisk at det er mulig å bygge en krets som kan skille qubits 'permutasjon og statlig informasjon i separate registre . Steinberg og kolleger har nå eksperimentelt demonstrert en praktisk tre-kvarts versjon av den ideen, ved hjelp av en laser og andre optiske komponenter.

Normalt blir hver qubit kodet i en foton, men forfatterne gjorde det bedre, ved å bruke bare to fotoner for å kode tre qubits. De kodet de to første qubits ved hjelp av polariserings- og stiinformasjonen til en foton, og den tredje qubit brukte polarisasjonen av en andre foton.

Bra jobbet
Komprimering av data fra tre qubits til to kan virke som liten yngel, men teamet sier at dette forholdet vil stige eksponentielt etter hvert som antall qubits går opp, med statsinformasjonen fra 1000 qubits representert med bare 10, og at fra 1 million qubits klemmet inn i 20.

Alexander Korotkov, en kvantfysiker ved University of California, Riverside, som ikke var involvert i det siste arbeidet, påpeker imidlertid at forfatterens kompresjonsordning ikke passer til generelle kvante datamaskiner, som bruker qubits som er svært korrelerte eller 'fanget'. For eksempel kan to qubits hver være i en superposisjon på 1 og 0, men når de måles, kan de alltid bli funnet i motsatte tilstander, 10 eller 01.

I tillegg sier Martin Plesch, en teoretisk fysiker ved det slovakiske vitenskapsakademiet i Bratislava, at det å være vanskelig å få tilgang til et større antall fotoner, kan være vanskelig.

Steinberg anerkjenner vanskelighetene, noe som tyder på at det kan bidra til å komprimere qubits ved hjelp av fanget ioner eller superledere i stedet for fotoner. "Problemene vi står overfor er akkurat de som bygger en større kvantecomputer, sier han.

Denne artikkelen er reprodusert med tillatelse og ble publisert første gang 29. september 2014.