Wetenschappers van de Faculteit der Natuurkunde, Universiteit van Warschau, in samenwerking met de Universiteit van Oxford en NIST, hebben aangetoond dat kwantuminterferentie de verwerking van grote hoeveelheden gegevens sneller en nauwkeuriger mogelijk maakt dan met standaardmethoden. Hun studies kunnen toepassingen van kwantumtechnologieën in kunstmatige intelligentie stimuleren, robotica en medische diagnostiek, bijvoorbeeld. De resultaten van dit werk zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

hedendaagse wetenschap, medicijn, engineering en informatietechnologie vereisen een efficiënte verwerking van gegevens:stilstaande beelden, geluid en radiosignalen, evenals informatie afkomstig van verschillende sensoren en camera's. Sinds de jaren zeventig, dit is bereikt door middel van het Fast Fourier Transform-algoritme (FFT). De FFT maakt het mogelijk om gegevens efficiënt te comprimeren en te verzenden, foto's opslaan, digitale tv uitzenden, en praten via een mobiele telefoon. Zonder dit algoritme medische beeldvormingssystemen op basis van magnetische resonantie of ultrageluid zouden niet zijn ontwikkeld. Echter, het is nog steeds te traag voor veel veeleisende toepassingen.

Om dit doel te bereiken, wetenschappers proberen al jaren de kwantummechanica te benutten. Dit resulteerde in de ontwikkeling van een kwantumtegenhanger van de FFT, de Quantum Fourier Transformatie (QFT), die met een kwantumcomputer kan worden gerealiseerd. Omdat de kwantumcomputer alle mogelijke waarden (zogenaamde "superposities") van invoergegevens tegelijkertijd verwerkt, het aantal operaties neemt aanzienlijk af.

Ondanks de snelle ontwikkeling van kwantumcomputers, er is een relatieve stagnatie op het gebied van kwantumalgoritmen. Nu hebben wetenschappers aangetoond dat dit resultaat kan worden verbeterd, en op een nogal verrassende manier.

Kravchuk-transformatie

Wiskunde beschrijft veel transformaties. Een daarvan is een Kravchuk-transformatie. Het lijkt erg op de FFT, omdat het verwerking van discrete (bijvoorbeeld digitale) gegevens mogelijk maakt, maar gebruikt Kravchuk-functies om de invoerreeks in het spectrum te ontleden. Aan het eind van de jaren negentig, de Kravchuk-transformatie werd "herontdekt" in de informatica. Het bleek uitstekend te zijn voor beeld- en geluidsverwerking. Het stelde wetenschappers in staat om nieuwe en veel preciezere algoritmen te ontwikkelen voor de herkenning van gedrukte en handgeschreven tekst (inclusief zelfs de Chinese taal), gebaren, gebarentaal, mensen, en gezichten. Een tiental jaar geleden, er werd aangetoond dat deze transformatie ideaal is voor het verwerken van lage kwaliteit, luidruchtige en vervormde gegevens, en dus zou het kunnen worden gebruikt voor computervisie in robotica en autonome voertuigen. Er is geen snel algoritme om deze transformatie te berekenen, maar het blijkt dat de kwantummechanica het mogelijk maakt om deze beperking te omzeilen.

"Heilige Graal" van de informatica

In hun artikel gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , wetenschappers van de Universiteit van Warschau-Dr. Magdalena Stobinska en Dr. Adam Buraczewski, wetenschappers van de Universiteit van Oxford, en NIST, hebben aangetoond dat de eenvoudigste kwantumpoort, die interfereert tussen twee kwantumtoestanden, berekent in wezen de Kravchuk-transformatie. Zo'n poort zou een bekend optisch apparaat kunnen zijn:een bundelsplitser, die fotonen verdeelt over twee uitgangen. Wanneer twee toestanden van kwantumlicht de invoerpoorten van twee kanten binnenkomen, ze interfereren. Bijvoorbeeld, twee identieke fotonen, die tegelijkertijd dit apparaat binnenkomen, bundel in paren en kom samen uit door dezelfde uitgangspoort. Dit is het bekende Hong-Ou-Mandel-effect, die ook kan worden uitgebreid tot toestanden die uit veel deeltjes bestaan. Door interfererende "pakketten" bestaande uit vele niet te onderscheiden fotonen (ononderscheidbaarheid is erg belangrijk, omdat de afwezigheid ervan het kwantumeffect vernietigt), die de informatie coderen, men verkrijgt een gespecialiseerde kwantumcomputer die de Kravchuk-transformatie berekent.

Het experiment werd uitgevoerd in een optisch kwantumlaboratorium van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Oxford, waar een speciale opstelling werd gebouwd om multifoton-kwantumtoestanden te produceren, zogenaamde Fockstaten. Dit laboratorium is uitgerust met TES (Transmission Edge Sensors), ontwikkeld door NIST, die werken bij bijna absolute nultemperaturen. Deze detectoren hebben een unieke eigenschap:ze kunnen zelfs fotonen tellen. Hierdoor kan men nauwkeurig de kwantumtoestand aflezen die de bundelsplitser verlaat en dus, het resultaat van de berekening. Het belangrijkste is, zo'n berekening van de kwantum Kravchuk-transformatie duurt altijd even lang, ongeacht de grootte van de invoergegevensset. Het is de "Heilige Graal" van de informatica:een algoritme dat bestaat uit slechts één bewerking, uitgevoerd met een enkele poort. Natuurlijk, om het resultaat in de praktijk te verkrijgen, men moet het experiment honderden keren uitvoeren om de statistieken te krijgen. Zo werkt elke kwantumcomputer. Echter, het duurt niet lang, omdat de laser tientallen miljoenen multifoton-"pakketten" per seconde produceert.

Het resultaat verkregen door wetenschappers uit Polen, het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten zullen toepassingen vinden bij de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën en kwantumalgoritmen. Het toepassingsgebied ervan gaat verder dan kwantumfotonica, omdat een vergelijkbare kwantuminterferentie kan worden waargenomen in veel verschillende kwantumsystemen. De Universiteit van Warschau vroeg een internationaal patent aan voor deze innovatie. De wetenschappers hopen dat de Kravchuk-transformatie binnenkort zal worden gebruikt in kwantumberekeningen, waar het een onderdeel zal worden van nieuwe algoritmen, vooral in hybride kwantum-klassieke computers die kwantumcircuits samenvoegen met "normale" digitale lay-outs.