Квантовая интерференция на службе информационных технологий

Ученые из физического факультета Варшавского университета в сотрудничестве с Оксфордским университетом и NIST показали, что квантовая интерференция позволяет обрабатывать большие наборы данных быстрее и точнее, чем стандартными методами. Их исследования могут стимулировать применение квантовых технологий, например, в искусственном интеллекте, робототехнике и медицинской диагностике. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Science Advances.

Современная наука, медицина, инженерия и информационные технологии требуют эффективной обработки данных — неподвижных изображений, звуковых и радиосигналов, а также информации, поступающей от различных датчиков и камер.

С 1970-х годов это достигается с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). БПФ позволяет эффективно сжимать и передавать данные, хранить изображения, транслировать цифровое телевидение и разговаривать по мобильному телефону. Без этого алгоритма медицинские системы визуализации на основе магнитного резонанса или ультразвука не были бы разработаны. Тем не менее, это все еще слишком медленно для многих требовательных приложений.

Чтобы ускорить обработку данных, ученые годами пытались использовать квантовую механику. Это привело к разработке квантового аналога БПФ, квантового преобразования Фурье (QFT), которое может быть реализовано с помощью квантового компьютера. Поскольку квантовый компьютер одновременно обрабатывает все возможные значения (так называемые «суперпозиции») входных данных, число операций значительно уменьшается.

Несмотря на быстрое развитие квантовых вычислений, в области квантовых алгоритмов наблюдается относительная стагнация. Теперь ученые показали, что этот результат можно улучшить, причем довольно удивительным образом.

Преобразование Кравчука

Математика описывает много преобразований. Одним из них является преобразование Кравчука. Оно очень похоже на БПФ, поскольку позволяет обрабатывать дискретные (например, цифровые) данные, но использует функции Кравчука для разложения входной последовательности в спектр.

В конце 1990-х преобразование Кравчука было «заново открыто» в информатике. Оказалось, оно отлично подходит для обработки изображений и звука. Это позволило ученым разработать новые и гораздо более точные алгоритмы распознавания печатного и рукописного текста (включая даже китайский язык), жестов, языка жестов, людей и лиц.

Десять лет назад было показано, что это преобразование идеально подходит для обработки некачественных, зашумленных и искаженных данных и, таким образом, его можно использовать для компьютерного зрения в робототехнике и автономных транспортных средствах. Не существует быстрого алгоритма для вычисления этого преобразования, но оказывается, что квантовая механика позволяет обойти это ограничение.

«Святой Грааль» информатики

В своей статье ученые показали, что простейшие квантовые ворота, которые взаимодействуют между двумя квантовыми состояниями, по существу вычисляют преобразование Кравчука. Такой затвор может быть известным оптическим устройством — светоделителем, который делит фотоны между двумя выходами.

Когда два состояния квантового света входят в его входные порты с двух сторон, они создают помехи. Например, два идентичных фотона, которые одновременно входят в это устройство, объединяются в пары и выходят вместе через один и тот же выходной порт. Это хорошо известный эффект Хонг-Оу-Манделя, который также можно распространить на состояния, состоящие из множества частиц.

Путем интерферирующих «пакетов», состоящих из множества неразличимых фотонов (неразличимость очень важна, так как ее отсутствие разрушает квантовый эффект), кодирующих информацию, получается специализированный квантовый компьютер, вычисляющий преобразование Кравчука.

Эксперимент проводился в квантово-оптической лаборатории на физическом факультете Оксфордского университета, где была построена специальная установка для создания многофотонных квантовых состояний, так называемых состояний Фока.

Эта лаборатория оснащена TES (Transmission Edge Sensors), разработанными NIST, которые работают при почти абсолютных нулевых температурах. Эти детекторы обладают уникальной особенностью: они могут фактически считать фотоны. Это позволяет точно считывать квантовое состояние, покидающее светоделитель, и, таким образом, результат вычисления.

Самое главное, что такое вычисление квантового преобразования Кравчука всегда занимает одно и то же время, независимо от размера набора входных данных. Это «Святой Грааль» информатики: алгоритм, состоящий всего из одной операции, реализованной с помощью единственного затвора. Конечно, чтобы получить результат на практике, нужно провести эксперимент несколько сотен раз, чтобы получить статистику. Так работает каждый квантовый компьютер. Тем не менее, это не займет много времени, потому что лазер производит десятки миллионов многофотонных «пакетов» в секунду.

Результат, полученный учеными из Польши, Великобритании и США, найдет применение при разработке новых квантовых технологий и квантовых алгоритмов. Диапазон его применения выходит за рамки квантовой фотоники, поскольку аналогичные квантовые помехи можно наблюдать во многих различных квантовых системах.

Варшавский университет подал заявку на международный патент на это нововведение. Ученые надеются, что преобразование Кравчука скоро найдет применение в квантовых вычислениях, где оно станет компонентом новых алгоритмов, особенно в гибридных квантово-классических компьютерах, которые объединяют квантовые схемы с «нормальными» цифровыми схемами.

«Quantum interference enables constant-time quantum information processing,» Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aau9674https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaau9674