Natuurkundigen lossen een moeilijk klassiek probleem op met één kwantumbit

Natuurkundigen lossen een moeilijk klassiek probleem op met één kwantumbit

Anonim

Van Lisa Zyga,

- Quantuminformatie-algoritmen kunnen sommige problemen exponentieel sneller oplossen dan de huidige klassieke methoden. Het meeste onderzoek naar kwantuminformatiesystemen heeft zich echter geconcentreerd op modellen die meerdere kwantumbits gebruiken. In een nieuwe studie hebben natuurkundigen aangetoond hoe ze een moeilijk klassiek probleem kunnen oplossen dat een kwantummodel volledig inkapselt dat slechts één kwantumbit vereist.

De wetenschappers, Gina Passante, et al., Van de Universiteit van Waterloo in Ontario, Canada, hebben hun experimentele resultaten gepresenteerd voor de kwantumoplossing van de benadering van het Jones-polynoom, wat een onveranderlijke knoop is. Door de Jones-polynoom te benaderen, kunnen onderzoekers bepalen of twee knopen verschillend zijn. Dit onderscheid maken is een fundamenteel probleem in de knooptheorie en heeft toepassingen in de statistische mechanica, kwantumveldentheorie en kwantumzwaartekracht. Hoewel de benadering van de veelterm van Jones een klassiek probleem is dat zeer moeilijk op te lossen is, tonen de resultaten aan dat het probleem kan worden opgelost met behulp van een "één kwantum bitmodel". De studie is gepubliceerd in een recent nummer van Physical Review Letters .

Om het Jones-polynoom te benaderen, implementeerden de wetenschappers een kwantumalgoritme genaamd deterministische kwantumberekening met één kwantumbit (DQC1). Voor het doel van het algoritme werden de knopen geschreven als vlechten, of een reeks strengen die over en onder elkaar kruisen met de boven- en onderkant verbonden. Gezien de vlechtrepresentaties van verschillende knopen, zou het kwantumalgoritme onderscheid kunnen maken tussen verschillende knopen.

Zoals de onderzoekers uitleggen, extraheert het DQC1-algoritme de kracht van één bit kwantuminformatie naast een register van verschillende qubits.

"Het 'één kwantumbit-model' betekent dat er één geïnitialiseerde qubit in het experiment zit, wat betekent dat we alleen de initiële status van één qubit kunnen beheren, " vertelde Passante aan PhysOrg.com. "Voor vier qubits zijn de andere drie qubits in eerste instantie in een volledig willekeurige staat."

De wetenschappers hebben het algoritme experimenteel geïmplementeerd met behulp van een quantum-informatieprocessor in vloeibare toestand met nucleaire magnetische resonantie (NMR). Ze implementeerden het model met het molecuul transcrotonzuur, met zijn vier koolstofkernen die de vier qubits van het algoritme vertegenwoordigen. Vervolgens genereerden de onderzoekers radiofrequentiepulsen, willekeurig startend en verbeterend door iteraties.

"Succesvolle experimentele implementatie van dit algoritme is afhankelijk van ons vermogen om de qubits te manipuleren om de unitaire transformaties uit te voeren, " zei Passante. "Deze manipulaties moeten zeer nauwkeurig en snel worden uitgevoerd om een ​​betrouwbaar resultaat te krijgen, aangezien de kwantumtoestanden erg kwetsbaar zijn."

In simulaties ontdekten de onderzoekers dat, in het geval van knopen waarvan de vlechtrepresentaties vier strengen en drie kruisingen hebben, het algoritme 91% van de tijd afzonderlijke knopen kon identificeren. In de toekomst zijn de wetenschappers van plan om het kwantumalgoritme op grotere knopen toe te passen en te bepalen welke knoop in de maat experimenteel kan worden geïmplementeerd voordat ruis en besturingsfouten het kwantumvoordeel vernietigen.

"Dit werk demonstreert het gebruik van een NMR-kwantumcomputer om een ​​belangrijk en praktisch probleem op te lossen dat niet uitvoerbaar is op klassieke computers, " zei Passante. “Het is de eerste experimentele implementatie van een compleet probleem voor de klasse van DQC1. In de nabije toekomst hopen kwantuminformatieverwerkende apparaten opwindende problemen met talloze toepassingen op te lossen, en dit experiment is een belangrijke opstap naar het realiseren van grotere kwantumcomputers. ”