επιστήμη

Οι ερευνητές αποδεικνύουν το κβαντικό πλεονέκτημα

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Αριζόνα αποδεικνύουν το κβαντικό πλεονέκτημα. πίστωση: Πανεπιστήμιο της Αριζόνα

Ο κβαντικός υπολογισμός και η κβαντική ανίχνευση έχουν τη δυνατότητα να είναι πολύ πιο ισχυροί από τους κλασικούς ομολόγους τους. Ένας πλήρως υλοποιημένος κβαντικός υπολογιστής δεν θα μπορούσε μόνο να πάρει δευτερόλεπτα για να λύσει εξισώσεις που θα μπορούσαν να διαρκέσουν χιλιάδες κλασικούς υπολογιστές, αλλά θα μπορούσε να έχει ανυπολόγιστη επίδραση σε πεδία που κυμαίνονται από βιοϊατρική απεικόνιση έως αυτόνομη οδήγηση.


Ωστόσο, η τεχνολογία δεν είναι αρκετή ακόμη.

Στην πραγματικότητα, παρά τις εκτεταμένες θεωρίες σχετικά με τις εκτεταμένες επιπτώσεις των κβαντικών τεχνολογιών, πολύ λίγοι ερευνητές μπόρεσαν να αποδείξουν ότι χρησιμοποιούν την τεχνολογία που είναι τώρα διαθέσιμη ότι οι κβαντικές μέθοδοι έχουν πλεονέκτημα έναντι των κλασικών ομολόγων τους.

Σε μια δημοσίευση που δημοσιεύθηκε την 1η Ιουνίου στο περιοδικό Φυσική αναθεώρηση XΕρευνητές στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα έχουν δείξει πειραματικά ότι το κβαντικό έχει ένα πλεονέκτημα έναντι των κλασικών υπολογιστικών συστημάτων.

“Η επίδειξη του κβαντικού κέρδους είναι ένας μακροχρόνιος στόχος στην κοινότητα και πολύ λίγα πειράματα κατάφεραν να το δείξουν”, δήλωσε η συν-συγγραφέας του χαρτιού Zeshen Zhang, κύριος ερευνητής του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, επίκουρος καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών. Quantum Information and Materials Group και ένας από τους συγγραφείς της εφημερίδας. «Προσπαθούμε να δείξουμε πώς μπορούμε να αξιοποιήσουμε την ήδη υπάρχουσα κβαντική τεχνολογία για να κερδίσουμε» εφαρμογές πραγματικού κόσμου

Πώς (και πότε) λειτουργεί το Quantum

Η κβαντική υπολογιστική και άλλες κβαντικές διαδικασίες βασίζονται σε μικρές, ισχυρές μονάδες πληροφοριών που ονομάζονται qubits. Οι κλασικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούμε σήμερα λειτουργούν με μονάδες πληροφοριών που ονομάζονται bits, οι οποίες υπάρχουν είτε ως 0s είτε ως 1s, αλλά μπορούν να είναι παρόντες και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Αυτή η δυαδικότητα τους καθιστά ισχυρούς και εύθραυστους. Τα εύθραυστα qubits είναι πιθανό να καταρρεύσουν χωρίς προειδοποίηση, οδηγώντας σε μια διαδικασία διόρθωση σφαλμάτων– Ένας που λύνει προβλήματα καθώς συμβαίνουν – πολύ σημαντικό.

Το κβαντικό πεδίο είναι τώρα σε μια εποχή που ο John Preskill, ένας διάσημος φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας, ονόμασε το “Noise Intermediate Scale Quantum” ή NISQ. Στην εποχή NISQ, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούσαν να εκτελέσουν εργασίες που απαιτούσαν μόνο 50 έως μερικές εκατοντάδες qubit, αν και με σημαντικές ποσότητες θορύβου ή παρεμβολών. Πάνω από αυτό και η σιωπή κατακλύζει τη χρησιμότητα, προκαλώντας τα πάντα να καταρρεύσουν. Πιστεύεται ευρέως ότι θα απαιτηθούν 10.000 έως αρκετά εκατομμύρια qubits για την πραγματοποίηση πρακτικά χρήσιμων κβαντικών εφαρμογών.

Φανταστείτε να επινοήσετε ένα σύστημα που εγγυάται ότι κάθε γεύμα που μαγειρεύετε θα αντικατασταθεί εντελώς και στη συνέχεια να το μεταβιβάσετε σε μια ομάδα παιδιών που δεν έχουν τα σωστά συστατικά. Θα είναι υπέροχο σε λίγα χρόνια, όταν τα παιδιά είναι ενήλικες και μπορούν να αγοράσουν τα πράγματα που χρειάζονται. Αλλά μέχρι τότε η χρησιμότητα αυτού του συστήματος είναι περιορισμένη. Ομοίως, έως ότου οι ερευνητές προχωρήσουν στον τομέα της διόρθωσης σφαλμάτων, η οποία μπορεί να μειώσει τα επίπεδα θορύβου, ο κβαντικός υπολογισμός περιορίζεται σε μικρή κλίμακα.

Οι μηχανικοί της Αριζόνα επιδεικνύουν κβαντικό πλεονέκτημα

Οι Quantao Zhuang (αριστερά), PI της Quantum Information Theory Group και Zheshen Zhang, PI της Quantum Information and Materials Group, είναι και οι δύο βοηθοί καθηγητές στο College of Engineering. πίστωση: Πανεπιστήμιο της Αριζόνα

Πλεονέκτημα εμπλοκής

Το πείραμα που περιγράφεται στο έγγραφο ήταν ένα μείγμα τόσο κλασικών όσο και κβαντικών τεχνικών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησε τρεις αισθητήρες για να ταξινομήσει το μέσο πλάτος και τη γωνία των σημάτων ραδιοσυχνοτήτων.

Οι αισθητήρες ήταν εξοπλισμένοι με έναν άλλο κβαντικό πόρο που ονομάζεται εμπλοκή, ο οποίος τους επιτρέπει να ανταλλάσσουν πληροφορίες μεταξύ τους και προσφέρει δύο σημαντικά πλεονεκτήματα: πρώτον, βελτιώνει την ευαισθησία του αισθητήρα και μειώνει τα σφάλματα. Δεύτερον, επειδή είναι εμπλεγμένοι, οι αισθητήρες αξιολογούν τις παγκόσμιες ιδιότητες αντί να συλλέγουν δεδομένα σχετικά με συγκεκριμένα μέρη του συστήματος. Αυτό είναι χρήσιμο για εφαρμογές που απαιτούν μόνο μία δυαδική απάντηση. Για παράδειγμα, στην ιατρική απεικόνιση, οι ερευνητές δεν χρειάζεται να γνωρίζουν για κάθε κύτταρο σε ένα δείγμα ιστού που δεν είναι καρκινικό – μόνο ένα κύτταρο που είναι καρκινικό. Η ίδια ιδέα ισχύει για την ανίχνευση επικίνδυνων χημικών ουσιών στο πόσιμο νερό.

Το πείραμα απέδειξε ότι ο εξοπλισμός των αισθητήρων με κβαντική εμπλοκή τους έδωσε ένα πλεονέκτημα έναντι των κλασικών αισθητήρων, μειώνοντας την πιθανότητα σφαλμάτων με ένα μικρό αλλά σημαντικό περιθώριο.

“Αυτή η ιδέα της χρήσης εμπλοκής για τη βελτίωση των αισθητήρων δεν περιορίζεται σε έναν συγκεκριμένο τύπο αισθητήρα, οπότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μια σειρά διαφορετικών εφαρμογών, αρκεί να έχετε τον εξοπλισμό για να εμπλέξετε τον αισθητήρα. Χο”, δήλωσε η μελέτη συν-συγγραφέας Kuntao Zhuang, επίκουρος καθηγητής ηλεκτρολόγων και μηχανολόγων υπολογιστών και κύριος ερευνητής της Quantum Information Theory Group. Για παράδειγμα, μπορείτε να το σκεφτείτε. “

Οι Zhuang και Zhang ανέπτυξαν τη θεωρία πίσω από το πείραμα και την περιέγραψαν σε ένα έγγραφο Φυσικής Επισκόπησης του 2019. Συνεργάστηκε με τους βασικούς συγγραφείς Yi Xia, James C. συν-συγγραφέας της νέας εργασίας με τον Wei Li, διδακτορικό φοιτητή στο Wyant College of Optical Sciences και μεταδιδακτορικό ερευνητή στην επιστήμη υλικών και τη μηχανική.

ταξινομητής qubit

Υπάρχουν υπάρχουσες εφαρμογές που χρησιμοποιούν ένα μείγμα κβαντικής και κλασικής επεξεργασίας στην εποχή NISQ, αλλά βασίζονται σε προϋπάρχοντα κλασικά σύνολα δεδομένων που πρέπει να μετασχηματιστούν και να ταξινομηθούν στην κβαντική σφαίρα. Φανταστείτε τη λήψη μιας σειράς φωτογραφιών από γάτες και σκύλους και, στη συνέχεια, μεταφορτώστε τις φωτογραφίες σε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί κβαντικές μεθόδους για την επισήμανση των φωτογραφιών ως “γάτα” ή “σκύλος”.

Η ομάδα αντιμετωπίζει τη διαδικασία επισήμανσης από διαφορετική γωνία, χρησιμοποιώντας κβαντικούς αισθητήρες για να συλλέξει τα δεδομένα τους στην πρώτη θέση. Είναι σαν να χρησιμοποιείτε μια ειδική κβαντική κάμερα που ονομάζεται “σκύλος” ή “γάτα” καθώς λαμβάνονται οι φωτογραφίες.

“Πολλοί αλγόριθμοι θεωρούν τα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα σε δίσκους υπολογιστών και στη συνέχεια τα μετατρέπουν σε κβαντικά συστήματα, κάτι που απαιτεί χρόνο και προσπάθεια”, δήλωσε ο Zhuang. “Το σύστημά μας λειτουργεί σε ένα διαφορετικό πρόβλημα αξιολογώντας φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν σε πραγματικό χρόνο.”

Η ομάδα είναι ενθουσιασμένη για τις μελλοντικές εφαρμογές της δουλειάς τους στο Crossroads κβαντική ανίχνευση Και κβαντικός υπολογισμός. Οραματίζονται μια μέρα να ενσωματώσουν ολόκληρη την πειραματική τους εγκατάσταση σε ένα τσιπ που μπορεί να βυθιστεί σε ένα δείγμα βιοϋλικού ή νερού για να εντοπίσει ασθένειες ή επιβλαβείς χημικές ουσίες.

“Πιστεύουμε ότι αυτό είναι ένα νέο παράδειγμα για την κβαντική πληροφορική, τόσο την κβαντική μηχανική μάθηση όσο και την κβαντική Ο αισθητήρας, επειδή δημιουργεί πραγματικά μια γέφυρα για τη διασύνδεση όλων αυτών των διαφορετικών τομέων », είπε ο Ζανγκ.


Νέα ώθηση στις κβαντικές τεχνολογίες


περισσότερες πληροφορίες:
Yi Xia et al., Ταξινόμηση δεδομένων με κβαντική ενίσχυση με διαφορετικά αισθητά δίκτυα αισθητήρων, Φυσική αναθεώρηση X (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.021047

Αποσπάσματα: Οι ερευνητές αποδεικνύουν το κβαντικό πλεονέκτημα (2021, 1 Ιουνίου) που αποκτήθηκε την 1η Ιουνίου 2021 από https://phys.org/news/2021-06-quantum-advantage.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς έγγραφη άδεια, εκτός από οποιαδήποτε δίκαιη χρήση για σκοπούς προσωπικής μελέτης ή έρευνας. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Τρεις ιδιώτες πολίτες πληρώνουν 55 εκατομμύρια δολάρια ο καθένας για ταξίδια στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό

Related Articles

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back to top button
Close
Close