Εστίαση: Εξοικονόμηση χώρου με την Quantum Information

Δημοσιεύτηκε 17 Οκτωβρίου, 2014 | Φυσική 7 , 106 (2014) | DOI: 10.1103 / Physics.7.106

Μια τεχνική που συσκευάζει το πλήρες περιεχόμενο των τριών bits των κβαντικών πληροφοριών σε δύο μπορεί να είναι μια προφύλαξη χώρο για τους κβαντικούς υπολογιστές.

Quantum συμπίεση δεδομένων ενός qubit Ensemble

Lee A. Rozema, Dylan H. Mahler, Alex Hayat, Peter S. Turner, και Aephraim M. Steinberg
Phys. Αποκ Lett. 113 , 160504 (2014)
Δημοσιεύτηκε 17 Οκτωβρίου, 2014
+ Μεγέθυνση
Getty Images


Bits από τα δισεκατομμύρια. κέντρα δεδομένων, όπως αυτό ένα κατάστημα τεράστιες ποσότητες δεδομένων, ενίοτε με τη χρήση τεχνικών συμπίεσης για να μειώσει τις απαιτήσεις σε μνήμη. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα πρέπει επίσης να χρησιμοποιήσετε τη συμπίεση δεδομένων για να χειριστεί μεγάλο αριθμό των qubits.

Εάν οι κβαντικοί υπολογιστές είναι να γίνει πράξη συσκευές, που χρειάζονται για να χειριστεί μεγάλες ποσότητες δεδομένων. Τώρα οι ερευνητές αποδεικνύουν την συμπίεση των κβαντικών δεδομένων με τη μείωση του αριθμού των κβαντικά bits (qubits) απαιτείται για την αποθήκευση μιας δεδομένης ποσότητας πληροφοριών. Σε αυτό το πρώτο πείραμα που συμπιέζονται τρία qubits σε δύο, αλλά λένε ότι τα αποτελέσματα μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερο αριθμό των qubits στο μέλλον.

Για να ελαχιστοποιηθούν οι απαιτήσεις διαβίβασης για τις παραδοσιακές υπολογιστές αποθήκευσης δεδομένων και, επιστήμονες της πληροφορικής έχουν επινοήσει τεχνικές συμπίεσης δεδομένων για τις μονάδες και μηδενικά που συνθέτουν ψηφιακών δεδομένων. Σκεφτείτε ένα αρχείο δεδομένων που περιέχει μια μακρά σειρά από πανομοιότυπα bits- Ν μηδενικά, για παράδειγμα. Αντί σωματικά κατανομή της αξίας "μηδέν" για Ν διακριτά bits της μνήμης, είναι πιο οικονομικό να αποθηκεύσει ένα ενιαίο μηδέν, μαζί με την εντολή να το διαβάσει Νφορές. Και οι δύο εκφράζουν την ίδια πληροφορία, αλλά το "συμπιεσμένο" δήλωση καταλαμβάνει λιγότερο χώρο.

Η κβαντική πληροφορία γίνεται με τη μορφή του "qubits" -superpositions των κβαντικών καταστάσεων που μπορεί να είναι τόσο ένα και μηδέν σε διαφορετικές αναλογίες ταυτόχρονα. Reading-που είναι, μετρώντας σε ένα qubit το μετατρέπει σε ένα κλασικό κομμάτι με ένα καθορισμένο ένα ή μηδενική αξία, πλέον σε ένα συνδυασμό κατάσταση. Διαβάζοντας ένα σύνολο από Ν πανομοιότυπες qubits που είναι ίσα μέρη, το ένα και το μηδέν, για παράδειγμα, θα παράγει περίπου Ν / 2 αυτές και Ν / 2 μηδενικά. Όμως, λαμβάνοντας ένα τέτοιο qubit και την ανάγνωση Ν φορές θα παράγει την ίδια απάντηση ξανά και ξανά, γιατί μετά την πρώτη ανάγνωση, το qubit γίνεται κλασική. Με άλλα λόγια, το Ν κατάσταση -qubit περιέχει περισσότερες πληροφορίες από ό, τι η κλασική διαδικασία ανάγνωσης μπορεί να μεταφέρει, και έτσι η κλασική μέθοδος συμπίεσης δεν θα λειτουργήσει.

Ωστόσο, ένα μαθηματικό επιχείρημα δείχνει ότι οι πληροφορίες που περιέχονται σε ένα σύνολο Ν πανομοιότυπα qubits μπορούν κατ 'αρχήν να πραγματοποιηθεί με πολύ λιγότερα qubits? ο αριθμός είναι κατά προσέγγιση ο λογάριθμος του Ν [ 1 ]. Lee Rozema του Πανεπιστημίου του Τορόντο και οι συνεργάτες του έχουν επινοήσει έναν τρόπο για να θέσει αυτή τη μέθοδο της συμπίεσης qubit στην πράξη.

Στην απλούστερη περίπτωση, η μέθοδος συμπίεσης βάζει τις πληροφορίες που περιέχονται σε τρεις πανομοιότυπες qubits σε δύο qubits που δεν είναι ταυτόσημες. Πληροφορίες κοινές για όλα τα τρία qubits κωδικοποιείται μόνο μία φορά στο ζευγάρι αντί για πλεονασμό σε όλα τα τρία. Σωματικά, συμπίεση των qubits σημαίνει καθιστώντας τους αλληλεπιδρούν για τη δημιουργία δύο νέων qubits με τις ιδιότητες που προβλέπονται από τη μαθηματική συνταγή. Αναφέρονται για το πώς να το κάνουμε αυτό ήταν το δύσκολο μέρος του προβλήματος, λέει Rozema. Όπως σε κάθε χειραγώγηση των κβαντικών πληροφοριών, η πρόκληση ήταν να εκτελέσετε ενέργειες στις qubits χωρίς να καταστρέφει την κβαντική φύση τους.

Rozema και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν δύο ανεξάρτητες ιδιότητες ενός φωτονίου να κωδικοποιήσει qubits, έτσι ώστε κατ 'αρχήν κάθε φωτόνιο θα μπορούσε να κρατήσει δύο qubits. Οι δύο ιδιότητες ήταν πόλωσης (οριζόντια ή κάθετη κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου του φωτονίου) και τη θέση σε ένα συμβολόμετρο (που ταξιδεύουν κατά μήκος μιας διαδρομής ή την άλλη μέσω της πειραματικής εγκατάστασης). Η ομάδα ξεκίνησε με τη δημιουργία τριών πανομοιότυπα qubits με δύο φωτόνια, που φέρεται από την πόλωση και τη διαδρομή ενός φωτονίου και από την πόλωση του ενός δευτερολέπτου. Στη συνέχεια συμπιέζονται τα τρία qubits σε δύο περνώντας δύο φωτόνια μέσα από ένα πολύπλοκο οπτικό σύστημα που προκάλεσε τα φωτόνια να αλληλεπιδρούν.Στο τέλος της διαδικασίας, ένα φωτόνιο πραγματοποιούνται δύο μη ταυτόσημες qubits περιέχει τις πληροφορίες του αρχικού τρία πανομοιότυπα qubits.

Για να διαβάσετε τα συμπιεσμένα δεδομένα, οι ερευνητές χρειάστηκε ένα κλασικό κομμάτι που απέκτησαν κάνοντας μια ορισμένη μέτρηση για το δεύτερο φωτόνιο. Το αποτέλεσμα αυτής της μέτρησης καθορίζεται η διαδικασία (μετρήσεις), που θα μπορούσε να εξάγει τα αρχικά τρία qubits από τα δύο συμπιεσμένα qubits. Η επιπλέον κλασικό κομμάτι από το δεύτερο φωτόνιο είναι παρόμοια με τη διδασκαλία, την κλασσική συμπίεση, που λέει πόσες φορές να επαναλάβει το ενιαίο αποθηκευμένο bit.

Mark Wilde από το Πανεπιστήμιο της Λουιζιάνα στο Μπατόν Ρουζ αποκαλεί το έργο "μια έξυπνη εφαρμογή της κβαντικής αλγόριθμο συμπίεσης» και λέει ότι θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για "ανακάτεμα γύρω από τα κβαντικά δεδομένα σε μελλοντικές συσκευές κβαντικό υπολογισμό και την επικοινωνία." Αλλά κλιμάκωση της διαδικασίας μέχρι μεγαλύτερο αριθμό των qubits κατά πάσα πιθανότητα θα είναι δύσκολο, λέει. Rozema συμφωνεί, αλλά λέει ότι η νέα εργασία είναι μια απόδειξη της αρχής της επίδειξης, και εκτός αυτού, κλιμάκωση εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση για όλες τις πράξεις της κβαντικής πληροφορίας.

Η έρευνα δημοσιεύεται στο Physical Review Letters .

-David Lindley



David Lindley είναι ένας ανεξάρτητος συγγραφέας σε Αλεξάνδρεια, Βιρτζίνια, και συγγραφέας της Αβεβαιότητας: Einstein, Heisenberg, Bohr και ο αγώνας για την ψυχή της Επιστήμης (Doubleday, 2007).