Quantum computing en quantum sensing hebben het potentieel om veel krachtiger te zijn dan hun klassieke tegenhangers. Niet alleen zou een volledig gerealiseerde kwantumcomputer slechts enkele seconden nodig hebben om vergelijkingen op te lossen die een klassieke computer duizenden jaren zou kosten, maar het zou onberekenbare gevolgen kunnen hebben op gebieden variërend van biomedische beeldvorming tot autonoom rijden.

Echter, de technologie is er nog niet helemaal.

In feite, ondanks wijdverbreide theorieën over de verstrekkende impact van kwantumtechnologieën, zeer weinig onderzoekers hebben kunnen aantonen, met behulp van de technologie die nu beschikbaar is, dat kwantummethoden een voordeel hebben ten opzichte van hun klassieke tegenhangers.

In een paper gepubliceerd op 1 juni in het tijdschrift Fysieke beoordeling X , Onderzoekers van de Universiteit van Arizona laten experimenteel zien dat kwantum een ​​voordeel heeft ten opzichte van klassieke computersystemen.

"Het aantonen van een kwantumvoordeel is een lang gezocht doel in de gemeenschap, en zeer weinig experimenten hebben het kunnen aantonen, " zei mede-auteur van het papier Zheshen Zhang, assistent-professor materiaalkunde en techniek, hoofdonderzoeker van de UArizona Quantum Information and Materials Group en een van de auteurs van het artikel. "We willen aantonen hoe we de al bestaande kwantumtechnologie kunnen gebruiken om toepassingen in de echte wereld ten goede te komen."

Hoe (en wanneer) Quantum werkt

Quantum computing en andere kwantumprocessen zijn afhankelijk van kleine, krachtige informatie-eenheden genaamd qubits. De klassieke computers die we tegenwoordig gebruiken, werken met informatie-eenheden die bits worden genoemd, die bestaan ​​als 0s of 1s, maar qubits kunnen tegelijkertijd in beide staten bestaan. Deze dualiteit maakt ze zowel krachtig als kwetsbaar. De delicate qubits kunnen zonder waarschuwing instorten, het zeer belangrijk maken van een proces dat foutcorrectie wordt genoemd en dat dergelijke problemen aanpakt wanneer ze zich voordoen.

Het kwantumveld bevindt zich nu in een tijdperk dat John Preskill, een gerenommeerd natuurkundige van het California Institute of Technology, genaamd "lawaaierige tussenschaal kwantum, " of NISQ. In het NISQ-tijdperk, kwantumcomputers kunnen taken uitvoeren die slechts ongeveer 50 tot een paar honderd qubits nodig hebben, hoewel met een aanzienlijke hoeveelheid lawaai, of interferentie. Meer dan dat en het lawaai overheerst het nut, waardoor alles instort. Algemeen wordt aangenomen dat 10, 000 tot enkele miljoenen qubits zouden nodig zijn om praktisch bruikbare kwantumtoepassingen uit te voeren.

Stelt u zich eens voor dat u een systeem uitvindt dat garandeert dat elke maaltijd die u kookt perfect zal smaken, en dat systeem vervolgens aan een groep kinderen te geven die niet over de juiste ingrediënten beschikt. Over een paar jaar zal het geweldig zijn, zodra de kinderen volwassen zijn en kunnen kopen wat ze nodig hebben. Maar tot dan, het nut van het systeem is beperkt. evenzo, totdat onderzoekers het gebied van foutcorrectie verder ontwikkelen, die het geluidsniveau kunnen verminderen, kwantumberekeningen zijn beperkt tot een kleine schaal.

Verstrikkingsvoordelen

Het experiment dat in het artikel wordt beschreven, maakte gebruik van een mix van zowel klassieke als kwantumtechnieken. specifiek, het gebruikte drie sensoren om de gemiddelde amplitude en hoek van radiofrequentiesignalen te classificeren.

De sensoren waren uitgerust met een andere kwantumbron genaamd verstrengeling, waardoor ze informatie met elkaar kunnen delen en biedt twee grote voordelen:het verbetert de gevoeligheid van de sensoren en vermindert fouten. Tweede, omdat ze verstrikt zijn, de sensoren evalueren globale eigenschappen in plaats van gegevens te verzamelen over specifieke onderdelen van een systeem. Dit is handig voor toepassingen die alleen een binair antwoord nodig hebben; bijvoorbeeld, bij medische beeldvorming, onderzoekers hoeven niet te weten over elke cel in een weefselmonster die niet kankerachtig is - alleen of er één cel is die kanker is. Hetzelfde concept is van toepassing op het detecteren van gevaarlijke chemicaliën in drinkwater.

Het experiment toonde aan dat het uitrusten van de sensoren met kwantumverstrengeling hen een voordeel gaf ten opzichte van klassieke sensoren, de kans op fouten met een kleine maar kritische marge te verkleinen.

"Dit idee om verstrengeling te gebruiken om sensoren te verbeteren, is niet beperkt tot een specifiek type sensor, dus het kan worden gebruikt voor een reeks verschillende toepassingen, zolang je de apparatuur hebt om de sensoren te verstrikken, " zei co-auteur van de studie Quntao Zhuang, assistent-professor elektrische en computertechniek en hoofdonderzoeker van de Quantum Information Theory Group"In theorie, je zou kunnen denken aan toepassingen als lidar (Light Detection and Ranging) voor zelfrijdende auto's, bijvoorbeeld."

Zhuang en Zhang ontwikkelden de theorie achter het experiment en beschreven het in een Physical Review X-paper uit 2019. Ze waren co-auteur van het nieuwe artikel met hoofdauteur Yi Xia, een doctoraatsstudent aan het James C. Wyant College of Optical Sciences, en Wei Li, een postdoctoraal onderzoeker in materiaalkunde en techniek.

Qubit-classificaties

Er zijn bestaande toepassingen die een mix van kwantum- en klassieke verwerking gebruiken in het NISQ-tijdperk, maar ze vertrouwen op reeds bestaande klassieke datasets die moeten worden geconverteerd en geclassificeerd in het kwantumrijk. Stel je voor dat je een serie foto's maakt van katten en honden, vervolgens de foto's uploaden naar een systeem dat kwantummethoden gebruikt om de foto's te labelen als 'kat' of 'hond'.

Het team pakt het etiketteringsproces vanuit een andere hoek aan, door kwantumsensoren te gebruiken om in de eerste plaats hun eigen gegevens te verzamelen. Het lijkt meer op het gebruik van een gespecialiseerde kwantumcamera die de foto's labelt als "hond" of "kat" terwijl de foto's worden gemaakt.

"Veel algoritmen beschouwen gegevens die zijn opgeslagen op een computerschijf, en zet dat dan om in een kwantumsysteem, wat tijd en moeite kost, "Zei Zhuang. "Ons systeem werkt aan een ander probleem door fysieke processen te evalueren die in realtime plaatsvinden."

Het team is enthousiast over toekomstige toepassingen van hun werk op het snijvlak van quantum sensing en quantum computing. Ze stellen zich zelfs voor om op een dag hun hele experimentele opstelling te integreren op een chip die in een biomateriaal of watermonster kan worden gedompeld om ziekten of schadelijke chemicaliën te identificeren.

"We denken dat het een nieuw paradigma is voor zowel kwantumcomputing als kwantummachine learning en kwantumsensoren, omdat het echt een brug slaat om al deze verschillende domeinen met elkaar te verbinden, ' zei Zhang.