Geknepen licht en kwantumkloksnelheden

De snelste computer ter wereld is de Tianhe-2-supercomputer in het National Super Computer Center in Guangzhou, China. Het bestaat uit 16.000 computerknooppunten, elk met twee Intel Ivy Bridge Xeon-processors en drie Xeon Phi-coprocessors. Samen maken deze het in staat tot 33,86 quadriljoen drijvende-kommaberekeningen per seconde, meer dan enige andere computer op de planeet.

Het is duidelijk dat de beschikbare middelen om een ​​berekening uit te voeren de cruciale factor zijn in de prestaties, en het aantal berekeningen per seconde is een goede indicatie voor de kracht van een computer.

Maar het kwantificeren van de kracht van een kwantumcomputer is veel moeilijker. Deze computerapparaten kunnen berekeningen uitvoeren die verder gaan dan gewone verwerkingsmachines. En toch worden de middelen die ze nodig hebben om deze truc uit te voeren slecht begrepen.

Het aantal kwantumbits dat in het spel is, is zeker cruciaal, maar dat geldt ook voor de hoeveelheid verstrengeling die de berekening met zich meebrengt. En dat leidt tot een puzzel: sommige soorten kwantumberekeningen vereisen een hoge mate van verstrengeling, terwijl andere bijna geen vergelijkbare dingen vereisen. Dus wat is de bron die kwantumberekeningen hun speciale kracht geeft?

Vandaag krijgen we een soort antwoord dankzij het werk van Nana Liu aan de Universiteit van Oxford in het VK en een paar vrienden die een manier hebben gevonden om de prestaties van kwantumcomputers te evalueren met behulp van een enkele parameter die functioneert als een soort kwantumcomputer. kloksnelheid. Dit maakt het voor het eerst mogelijk om verschillende soorten kwantumberekeningen op een gelijk speelveld te vergelijken.

Eerst wat achtergrond. Het basisidee achter kwantumberekening is dat een kwantumobject kan bestaan ​​in een superpositie van toestanden en dus als een 0 en een 1 tegelijkertijd. Deze informatie kan worden gecombineerd met die van een ander kwantumobject om een ​​berekening uit te voeren. Maar in plaats van een enkele berekening, laat een kwantumberekening twee of meer berekeningen tegelijkertijd toe, één voor elk van de getallen in superpositie.

Dat is de oorsprong van de snelheid die mogelijk is met kwantumcomputers. En terwijl één kwantumbit twee getallen aankan, kunnen twee kwantumbits vier getallen aan, drie qubuts acht getallen, vier qubits 16 getallen, enzovoort. Dus kwantumberekeningen schalen exponentieel met het aantal qubits.

Maar er speelt nog een andere factor mee: de manier waarop de qubits worden gecombineerd en gemanipuleerd. Een manier om dit te doen is door de qubits te verstrengelen. Verstrengeling is het merkwaardige proces waarin twee kwantumobjecten zo nauw met elkaar verbonden raken dat ze hetzelfde bestaan ​​delen. Dus een meting die op de ene wordt uitgevoerd, heeft onmiddellijk invloed op de andere, hoe ver weg ook.

Hierdoor kunnen berekeningen, zoals factoring, worden uitgevoerd met snelheden waardoor de Tianhe-2 eruitziet als een zakrekenmachine. (Althans in theorie. Natuurkundigen hebben de belangrijke technische uitdagingen bij het bouwen van krachtige kwantumcomputers nog niet helemaal overwonnen.)

Maar bij sommige soorten kwantumberekeningen lijkt zeer weinig of geen verstrengeling nodig. Een opmerkelijk voorbeeld is deterministische kwantumberekening met één qubit. Dit kan bepaalde soorten berekeningen sneller oplossen dan een gewone computer. Maar niemand weet hoeveel meer of minder krachtig deze vorm van berekening is vergeleken met, laten we zeggen, kwantumfactoring, omdat er nooit een manier is geweest om ze te vergelijken. Tot nu.

Lui en co hebben een geheel nieuwe manier ontdekt om kwantumberekeningen uit te voeren waarmee de verschillende soorten berekeningen voor het eerst kunnen worden vergeleken. Hun aanpak is gebaseerd op een fenomeen dat kwantumsqueezing wordt genoemd. Dit is een manier om verstrengelde fotonen te manipuleren om de daarmee samenhangende achtergrondvacuümruis te verminderen.

De truc is gebaseerd op het onzekerheidsprincipe van Heisenberg: het is mogelijk om de positie van een foton of zijn momentum nauwkeurig te meten, maar niet beide tegelijk. Hetzelfde geldt voor andere kwantumeigenschappen zoals energie en tijd of hoek en impulsmoment - er is altijd een afweging om het een of het ander te kennen.

Met dit principe kunnen natuurkundigen de ruis verminderen die gepaard gaat met verstrengelde fotonen wanneer ze worden gedetecteerd door ze op andere plaatsen minder meetbaar te maken - een proces dat bekend staat als kwantumknijpen. Dat is enorm belangrijk, want door de hoeveelheid ruis te verminderen, kunnen metingen veel nauwkeuriger worden uitgevoerd. En de hoeveelheid knijpen is precies meetbaar, dus het is gemakkelijk om te zien hoeveel van deze kwantumeigenschap in gebruik is.

Dit bracht Liu en co op een idee. Omdat bij veel vormen van kwantumberekening fotonen betrokken zijn, vervingen ze de gewone fotonen door uitgeknepen versies. De kwantum die bij elke berekening betrokken is, kan dan precies worden gekwantificeerd door de hoeveelheid knijpen die nodig is om ze uit te voeren. Liu en co maten het in qumodes, vandaar de titel van het artikel.

De resultaten zorgen voor interessante lectuur. Liu en co zeggen dat deterministische kwantumberekening met één qubit nul knijpen vereist en dus onderaan de hiërarchie van kwantumkloksnelheden komt.

Daarentegen hangt de hoeveelheid knijpen die nodig is voor kwantumfactoring af van de grootte van het getal dat wordt ontbonden. Inderdaad, de hoeveelheid knijpen neemt exponentieel toe naarmate het aantal groter wordt.

Daardoor kunnen deze twee vormen van kwantumberekening voor het eerst worden vergeleken. Dit introduceert een nieuw perspectief om na te denken over hiërarchieën in kwantumalgoritmen, zeggen Liu en co.

Dat moet handig zijn in de toekomst. En er is een interessant gevolg dat inhoudt dat de kwantumcomputing nu wordt gedaan door organisaties zoals Google en NASA met dank aan een computerapparaat dat wordt verkocht door een bedrijf genaamd D-Wave Systems.

Deze machine gebruikt kwantumgloeien om te berekenen, maar het is enorm controversieel. D-Wave houdt vol dat de machine voor sommige soorten berekeningen exponentieel sneller is dan conventionele computers. Maar veel natuurkundigen zijn zeer sceptisch en zeggen dat het de essentiële kwantumheid mist die nodig is om de beweerde rekenkundige prestaties te leveren.

Misschien kan de nieuwe aanpak van kwantumknijpen helpen. Als het een eerlijke manier biedt om de prestaties van de machine van D-Wave te vergelijken met andere vormen van kwantumcomputing, kan dit debat worden beëindigd. En dat moet het mogelijk maken om met zekerheid te zeggen of deze techniek ooit zal leiden tot een machine die krachtiger is dan Tianhe-2.

Referentie: arxiv.org/abs/1510.04758 : De kracht van één Qumode

zich verstoppen