Ściśnięcie światła i prędkości zegara kwantowego

Najszybszym komputerem na świecie jest superkomputer Tianhe-2 w National Super Computer Center w Guangzhou w Chinach. Składa się z 16 000 węzłów komputerowych, każdy z dwoma procesorami Intel Ivy Bridge Xeon i trzema koprocesorami Xeon Phi. Wszystko to razem sprawia, że ​​jest w stanie wykonać 33,86 biliarda obliczeń zmiennoprzecinkowych na sekundę, więcej niż jakakolwiek inna maszyna obliczeniowa na tej planecie.

Oczywiście zasoby dostępne do przeprowadzenia obliczeń są kluczowym czynnikiem w ich wydajności, a liczba obliczeń na sekundę jest dobrym wskaźnikiem mocy komputera.

Ale ilościowe określenie mocy komputera kwantowego jest znacznie trudniejsze. Te urządzenia komputerowe mogą wykonywać obliczenia, które wykraczają poza zakres zwykłych maszyn przetwarzających. A jednak zasoby, których potrzebują do wykonania tej sztuczki, są słabo poznane.

Z pewnością liczba bitów kwantowych w grze jest kluczowa, ale tak samo jak ilość splątania, które pociąga za sobą obliczenia. A to prowadzi do zagadki: niektóre rodzaje obliczeń kwantowych wymagają wysokiego poziomu splątania, podczas gdy inne prawie nie wymagają podobnych rzeczy. Jaki jest więc zasób, który nadaje obliczeniom kwantowym ich szczególną moc?

Dziś otrzymujemy swego rodzaju odpowiedź dzięki pracy Nany Liu z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii i kilku kumplom, którzy znaleźli sposób na ocenę wydajności komputerów kwantowych za pomocą jednego parametru, który działa jak rodzaj kwantu. szybkośc zegara. Umożliwia to po raz pierwszy porównanie różnych rodzajów obliczeń kwantowych na równych zasadach.

Najpierw trochę tła. Podstawową ideą obliczeń kwantowych jest to, że obiekt kwantowy może istnieć w superpozycji stanów, a zatem jednocześnie jako 0 i 1. Informacje te można łączyć z informacjami przenoszonymi przez inny obiekt kwantowy w celu wykonania obliczeń. Ale zamiast pojedynczego obliczenia, obliczenia kwantowe pozwalają na wykonanie dwóch lub więcej obliczeń w tym samym czasie, po jednym dla każdej liczby w superpozycji.

To jest źródło przyspieszenia możliwego dzięki komputerom kwantowym. I podczas gdy jeden bit kwantowy może obsłużyć dwie liczby, dwa bity kwantowe mogą obsłużyć cztery liczby, trzy qubuty — osiem liczb, cztery kubity — 16 liczb i tak dalej. Tak więc obliczenia kwantowe skalują się wykładniczo wraz z liczbą kubitów.

Ale jest w tym inny czynnik: sposób łączenia i manipulowania kubitami. Jednym ze sposobów na to jest splątanie kubitów. Splątanie to dziwny proces, w którym dwa obiekty kwantowe stają się tak ściśle powiązane, że dzielą to samo istnienie. Tak więc pomiar wykonywany na jednym natychmiast wpływa na drugi, bez względu na to, jak daleko.

Pozwala to na wykonywanie obliczeń, takich jak faktoring, z szybkościami, które sprawią, że Tianhe-2 będzie wyglądał jak kieszonkowy kalkulator. (Przynajmniej w teorii. Fizycy nie przezwyciężyli jeszcze znaczących wyzwań technicznych związanych z budowaniem potężnych komputerów kwantowych.)

Ale w niektórych rodzajach obliczeń kwantowych bardzo małe, jeśli w ogóle, splątanie wydaje się konieczne. Godnym uwagi przykładem są deterministyczne obliczenia kwantowe z jednym kubitem. To może rozwiązać niektóre typy obliczeń szybciej niż zwykły komputer. Ale nikt nie wie, o ile bardziej lub mniej potężny jest ten rodzaj obliczeń w porównaniu, powiedzmy, z faktoringiem kwantowym, ponieważ nigdy nie było sposobu, aby je porównać. Do teraz.

Lui i spółka odkryli zupełnie nowy sposób wykonywania obliczeń kwantowych, który pozwala po raz pierwszy porównać różne rodzaje obliczeń. Ich podejście opiera się na zjawisku zwanym ściskaniem kwantowym. Jest to sposób manipulowania splątanymi fotonami w celu zmniejszenia związanego z nimi szumu próżni w tle.

Sztuczka opiera się na zasadzie nieoznaczoności Heisenberga – że możliwe jest dokładne zmierzenie pozycji fotonu lub jego pędu, ale nie obu naraz. To samo dotyczy innych właściwości kwantowych, takich jak energia i czas lub kąt i moment pędu — zawsze istnieje kompromis w poznaniu jednej lub drugiej.

Ta zasada pozwala fizykom zredukować szum związany ze splątanymi fotonami, gdy zostaną wykryte, czyniąc je mniej mierzalnymi w innych miejscach — proces znany jako ściskanie kwantowe. To niezwykle ważne, ponieważ zmniejszenie poziomu szumów pozwala na znacznie dokładniejsze pomiary. A stopień ściśnięcia jest dokładnie policzalny, więc łatwo jest zobaczyć, ile z tej właściwości kwantowej jest w użyciu.

To dało Liu i spółce pomysł. Ponieważ wiele form obliczeń kwantowych wykorzystuje fotony, zwykłe fotony zastąpiono wersjami ściśniętymi. Kwantowość zaangażowana w każde obliczenie można następnie dokładnie określić ilościowo na podstawie stopnia ściśnięcia wymaganego do ich wykonania. Liu i co zmierzyli to w qumodach, stąd tytuł artykułu.

Wyniki stanowią ciekawą lekturę. Liu i spółka twierdzą, że deterministyczne obliczenia kwantowe z jednym kubitem wymagają ściskania zerowego, a więc znajdują się na samym dole hierarchii szybkości zegara kwantowego.

Natomiast ilość ściskania niezbędna do faktoryzacji kwantowej zależy od wielkości faktoryzowanej liczby. Rzeczywiście, ilość ściskania rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem liczby.

To pozwala po raz pierwszy porównać te dwie formy obliczeń kwantowych. Wprowadza to nową perspektywę myślenia o hierarchiach w algorytmach kwantowych, powiedzmy Liu i spółka.

To powinno być przydatne w przyszłości. I jest interesujący wniosek, że obliczenia kwantowe są obecnie wykonywane przez organizacje takie jak Google i NASA dzięki urządzeniu komputerowemu sprzedawanemu przez firmę o nazwie D-Wave Systems.

Ta maszyna wykorzystuje do obliczeń wyżarzanie kwantowe, ale jest to niezwykle kontrowersyjne. D-Wave twierdzi, że maszyna jest wykładniczo szybsza niż konwencjonalne komputery w przypadku niektórych rodzajów obliczeń. Ale wielu fizyków jest głęboko sceptycznych, twierdząc, że brakuje mu niezbędnej kwantowości potrzebnej do wykonania rzekomych wyczynów obliczeniowych.

Być może nowe podejście do ściskania kwantowego może pomóc. Jeśli zapewni to uczciwy sposób na porównanie wydajności maszyny D-Wave z innymi formami obliczeń kwantowych, to ta debata może zostać odłożona. A to powinno pozwolić z całą pewnością stwierdzić, czy ta technika kiedykolwiek doprowadzi do powstania maszyny potężniejszej niż Tianhe-2.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1510.04758 : Potęga jednego Qumode

ukryć