量子计算和感应:工程师展示量子优势

基于纠缠传感器和机器学习的量子增强数据处理

亚利桑那大学研究人员展示了量子优势。亚利桑那大学

亚利桑那州大学工程学院的研究人员和詹姆斯C.妇女光学科学学院实验证明了量子资源如何对遥远的未来的梦想 - 他们可以提高今天的技术。

量子计算和量子感测具有比其经典同行更强大的潜力。完全实现的量子计算机不仅可以达到几千年来解决古典计算机的等式,而且可能对从生物医学成像到自主驾驶的区域产生不可估量的影响。

但是,该技术并不是那么。

事实上,尽管关于量子技术影响深远的理论广为流传,但很少有研究人员能够利用现有的技术证明量子方法比经典方法有优势。

在2021年6月1日发表在该杂志上的一篇论文中物理评论X亚利桑那大学研究人员实验表明,Quantum在古典计算系统上具有优势。

“证明一个量子的优势是一个已久的目标在社区里,和很少的实验已经能够展示它,”论文合著者Zheshen张说,材料科学与工程助理教授,首席研究员的UArizona量子信息和材料集团和文章的作者之一。“我们正试图展示如何利用已经存在的量子技术来造福于现实世界的应用。”

量子是如何(何时)起作用的

量子计算和其他量子流程依赖于微小,强大的信息单位,称为Qubits。我们今天使用的古典计算机与称为位的信息单位,它存在为0s或1s,但额度能够同时存在于两个状态中。这种二元性使它们都强大而脆弱。微妙的Qubits易于崩溃而不警告,使得一个名为纠错的过程 - 这解决了它们的问题 - 非常重要。

quntao庄和zheshen张

Quntao Zhuang(左),量子信息理论集团的PI,Zheshen Zhang,Zheshen Zhang,数量信息和材料集团PI,是工程学院助理教授。信誉:亚利桑那大学

Quantum领域现在是来自加州理工学院的知名物理学家John Preskill,称为“嘈杂的中间尺度量子”或NISQ。在NISQ时代,量子计算机可以执行只需要大约50到几百个QUBITS的任务,但有很大的噪声或干扰。不仅仅是那种,喧嚣过度地提供了有用性,导致一切崩溃。人们普遍认为,需要10,000至数百万千兆位进行实际上有用的量子应用。

想象一下,你发明了一个系统,保证你做的每一顿饭都完美无缺,然后把这个系统给一群没有正确食材的孩子。几年后,当孩子们长大成人,可以买他们需要的东西时,这将是很棒的。但在此之前,该系统的效用是有限的。类似地,除非研究人员在可以降低噪声水平的错误校正领域取得进展,否则量子计算只能局限在小范围内。

纠缠优势

本文中描述的实验使用了经典和量子技术的混合。具体地,它使用了三个传感器来分类射频信号的平均幅度和角度。

传感器配备了另一个称为纠缠的量子资源,这允许它们彼此共享信息并提供两个主要优点:首先,它提高了传感器的灵敏度并减少了错误。其次,因为它们被纠缠在一起,传感器评估全局属性而不是收集系统的特定部分的数据。这对于只需要二进制答案的应用是有用的;例如,在医学成像中,研究人员不需要了解没有癌症的组织样本中的每一个细胞 - 只是有一种癌细胞是否有一种细胞。相同的概念适用于检测饮用水中的危险化学品。

实验表明,用量子纠缠的传感器向它们提供了优于古典传感器的优势,通过小但临界边缘降低了误差的可能性。

“利用缠结来改善传感器的想法并不局限于特定类型的传感器,所以它可以用于一系列不同的应用,只要你有缠绕传感器的设备,”该研究的合著者庄群涛说,电子与计算机工程助理教授,量子信息理论组首席研究员。“理论上,你可以考虑将激光雷达(光探测和测距)应用于自动驾驶汽车。”

庄和张在2019年提出了实验背后的理论并进行了描述物理评论X纸。他们共同撰写了詹姆斯C.博士学院的博士学生y夏的新论文,戴姆斯光学科学学院,材料科学与工程博士后研究员。

qubit分类器

存在在NISQ时代中使用量子和经典处理的混合使用的现有应用程序,但它们依赖于预先存在的经典数据集,该数据集必须在量子域中转换和分类。想象一下拍摄一系列猫和狗的照片,然后将照片上传到使用量子方法将照片标记为“Cat”或“狗”的系统。

该团队通过使用量子传感器首先通过不同的角度解决标签处理,以便首先收集自己的数据。它更像是使用专门的量子相机,将照片标记为“狗”或“CAT”,因为拍摄照片。

“许多算法考虑存储在计算机盘上的数据,然后将其转换为量子系统,这需要时间和精力,”庄说。“我们的系统通过评估实时发生的物理过程来解决不同的问题。”

该团队对于他们在量子传感的交叉口的未来工作令人兴奋量子计算。它们甚至设想一天将它们的整个实验装置整合到可以浸入生物材料或水样中以识别疾病或有害化学物质的芯片。

张说:“我们认为这是量子计算、量子机器学习和量子传感器的新范式,因为它真的建立了一座桥梁,把所有这些不同的领域连接起来。”

参考文献:“基于变分纠缠传感器网络的量子增强数据分类”,Xia Yi, Wei Li, Quntao Zhuang and Zheshen Zhang, 2021年6月1日,物理评论X
DOI:10.1103 / physrevx.11.021047

2评论在“量子计算和感应:工程师展示量子优势”

  1. 承诺。承诺。类比。类比。如果我们能够通过我们想要/需要工作的方式工作,那就太好了;但该死的物理只是不会合作。qubits。二进制位四边形。什么是差异?50-100夸脱是距离10k的轻微一年。 You’ll get there. SOMEDAY… YOU SAY. But day-after-day, the Show must go on. State of the Art. Okay. Go for it. But ditch the term “Classical Computing”. It’s prejudicial. Sounds like you mean “old”, outmoded, like Classical Music. Like, LET’S ROCK ‘N ROLL. HMM… Come to think of it, maybe after 60+ years, R’N R is outmoded, yet it remains infinitely preferable to a Hootenanny. Conventional is a better word, albeit conventional in it’s applications. It’s in the language that we use. Language=Logic, ultimately. Maybe QUBITS speak a different language. Like maybe one and one=11. LOL. Back to BASIC.

  2. 更像是1和1同时等于1和1。LOL,在“传统意义上”,基本的是行不通的。我真的不认为从100量子位到1万k是一光年之遥。光只需要1年的时间就能走一光年,呵呵。根据你的计算,1年后我们应该增加到1万然后再增加到10万。一旦更多的问题得到解决,扩展应该会很快发生。我担心的是安全和加密。当今最先进的经典系统(或传统系统)上使用的加密方案可以在几秒钟内被一台优秀的量子计算机破解。我们的信息都不安全。拥有第一台真正的量子计算机的组织可以在整个互联网上支付赎金,每个使用它并在其上加密信息的人。 It would in fact, render all “conventional encrytion security” useless…

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