De Fourier-transformatie is een belangrijk wiskundig hulpmiddel dat een functie of dataset ontleedt in zijn samenstellende frequenties, net zoals men een muzikaal akkoord zou kunnen ontleden in een combinatie van zijn noten. Het wordt in een of andere vorm op alle technische gebieden gebruikt en, overeenkomstig, algoritmen om het efficiënt te berekenen zijn ontwikkeld, dat wil zeggen, tenminste voor conventionele computers. Maar hoe zit het met kwantumcomputers?

Hoewel quantum computing een enorme technische en intellectuele uitdaging blijft, het heeft het potentieel om veel programma's en algoritmen enorm te versnellen, op voorwaarde dat de juiste kwantumcircuits worden ontworpen. Vooral, de Fourier-transformatie heeft al een kwantumversie genaamd de kwantum Fourier-transformatie (QFT), maar de toepasbaarheid is vrij beperkt omdat de resultaten ervan niet kunnen worden gebruikt in daaropvolgende kwantumrekenkundige bewerkingen.

Om dit probleem aan te pakken, in een recente studie gepubliceerd in Quantum informatieverwerking , wetenschappers van de Tokyo University of Science ontwikkelden een nieuw kwantumcircuit dat de kwantumsnelle Fourier-transformatie (QFFT) uitvoert en volledig profiteert van de eigenaardigheden van de kwantumwereld. Het idee voor de studie kwam bij de heer Ryo Asaka, eerstejaars masterstudent en een van de wetenschappers op de studie, toen hij voor het eerst hoorde over de QFT en zijn beperkingen. Hij dacht dat het nuttig zou zijn om een ​​beter alternatief te creëren op basis van een variant van de standaard Fourier-transformatie genaamd de snelle Fourier-transformatie (FFT), een onmisbaar algoritme in conventioneel computergebruik dat de zaken enorm versnelt als de invoergegevens aan enkele basisvoorwaarden voldoen.

Om het kwantumcircuit voor de QFFT te ontwerpen, de wetenschappers moesten eerst kwantumrekenkundige circuits bedenken om de basisbewerkingen van de FFT uit te voeren, zoals toevoeging, aftrekken, en cijferverschuiving. Een opmerkelijk voordeel van hun algoritme is dat er geen 'garbage bits' worden gegenereerd; het rekenproces verspilt geen qubits, de basiseenheid van kwantuminformatie. Gezien het feit dat het verhogen van het aantal qubits van kwantumcomputers de afgelopen jaren een zware strijd is geweest, het feit dat dit nieuwe kwantumcircuit voor de QFFT qubits efficiënt kan gebruiken, is veelbelovend.

Een andere verdienste van hun kwantumcircuit ten opzichte van de traditionele QFT is dat hun implementatie gebruikmaakt van een unieke eigenschap van de kwantumwereld om de rekensnelheid aanzienlijk te verhogen. Universitair hoofddocent Kazumitsu Sakai, die de studie leidde, legt uit:"In kwantumcomputers, we kunnen een grote hoeveelheid informatie tegelijkertijd verwerken door gebruik te maken van een fenomeen dat bekend staat als 'superpositie van staten'. Hierdoor kunnen we veel data omzetten, zoals meerdere afbeeldingen en geluiden, in één keer in het frequentiedomein." Verwerkingssnelheid wordt regelmatig genoemd als het belangrijkste voordeel van quantum computing, en deze nieuwe QFFT-schakeling vertegenwoordigt een stap in de goede richting.

Bovendien, het QFFT-circuit is veel veelzijdiger dan het QFT, als assistent-professor Ryoko Yahagi, die ook meededen aan het onderzoek, merkt op:"Een van de belangrijkste voordelen van de QFFT is dat het toepasbaar is op elk probleem dat kan worden opgelost door de conventionele FFT, zoals het filteren van digitale beelden in de medische wereld of het analyseren van geluiden voor technische toepassingen." Met kwantumcomputers (hopelijk) om de hoek, de resultaten van deze studie zullen het gemakkelijker maken om kwantumalgoritmen toe te passen om de vele technische problemen op te lossen die afhankelijk zijn van de FFT.