211service.com
Squeezed Light och Quantum Clockspeeds
Världens snabbaste dator är superdatorn Tianhe-2 vid National Super Computer Center i Guangzhou, Kina. Den består av 16 000 datornoder, var och en med två Intel Ivy Bridge Xeon-processorer och tre Xeon Phi-samprocessorer. Tillsammans gör dessa den kapabel till 33,86 kvadrillioner flyttalsberäkningar per sekund, mer än någon annan dator på planeten.
Det är uppenbart att de tillgängliga resurserna för att utföra en beräkning är den avgörande faktorn för dess prestanda, och antalet beräkningar per sekund är en bra guide till en dators kraft.
Men att kvantifiera kraften i en kvantdator är mycket svårare. Dessa beräkningsenheter kan utföra beräkningar som är bortom kännedomen för vanliga bearbetningsmaskiner. Och ändå är de resurser de behöver för att göra detta trick dåligt förstådda.
Visst är antalet kvantbitar i spel avgörande, men det är också mängden trassling som beräkningen innebär. Och det leder till ett pussel: vissa typer av kvantberäkningar kräver höga nivåer av intrassling medan andra kräver nästan ingen för att göra liknande saker. Så vad är den resurs som ger kvantberäkningar deras speciella kraft?
Idag får vi ett slags svar tack vare arbetet av Nana Liu vid University of Oxford i Storbritannien och några kompisar som har hittat ett sätt att utvärdera prestanda hos kvantdatorer med hjälp av en enda parameter som fungerar som ett slags kvantum. klockfrekvens. Detta gör det möjligt att för första gången jämföra olika typer av kvantberäkningar på lika villkor.
Först lite bakgrund. Grundtanken bakom kvantberäkning är att ett kvantobjekt kan existera i en superposition av tillstånd och därför som en 0 och en 1 samtidigt. Denna information kan kombineras med den som bärs av ett annat kvantobjekt för att utföra en beräkning. Men istället för en enda beräkning tillåter en kvantberäkning två eller flera beräkningar att fortsätta samtidigt, en för vart och ett av talen i superposition.
Det är ursprunget till den hastighet som är möjlig med kvantdatorer. Och medan en kvantbit kan hantera två tal, kan två kvantbitar hantera fyra tal, tre kvantbitar åtta tal, fyra kvantbitar med 16 tal, och så vidare. Så kvantberäkningar skalas exponentiellt med antalet kvantbitar.
Men det finns en annan faktor i detta: hur qubits kombineras och manipuleras. Ett sätt att göra detta är att trassla in qubits. Entanglement är den märkliga processen där två kvantobjekt blir så nära sammanlänkade att de delar samma existens. Så en mätning som utförs på den ena påverkar omedelbart den andra, oavsett hur långt borta.
Detta gör att beräkningar, som factoring, kan utföras med hastigheter som skulle få Tianhe-2 att se ut som en fickkalkylator. (Åtminstone i teorin. Fysiker har inte riktigt övervunnit de betydande tekniska utmaningarna med att bygga kraftfulla kvantdatorer ännu.)
Men i vissa typer av kvantberäkningar verkar väldigt lite, om någon, förveckling vara nödvändig. Ett anmärkningsvärt exempel kallas deterministisk kvantberäkning med en kvantbit. Detta kan lösa vissa typer av beräkningar snabbare än någon vanlig dator. Men ingen vet hur mycket mer eller mindre kraftfull denna beräkningssmak är jämfört med, säg, kvantfaktorering, eftersom det aldrig har funnits ett sätt att jämföra dem. Tills nu.
Lui och co har upptäckt ett helt nytt sätt att utföra kvantberäkningar som gör att de olika varianterna av beräkningar kan jämföras för första gången. Deras tillvägagångssätt bygger på ett fenomen som kallas quantum squeezing. Detta är ett sätt att manipulera intrasslade fotoner för att minska bakgrundsvakuumbruset som är associerat med dem.
Tricket är baserat på Heisenbergs osäkerhetsprincip - att det är möjligt att mäta en fotons position exakt eller dess rörelsemängd men inte båda samtidigt. Detsamma gäller för andra kvantegenskaper som energi och tid eller vinkel och rörelsemängd – det finns alltid en avvägning i att känna till det ena eller det andra.
Denna princip gör det möjligt för fysiker att minska bruset som är förknippat med intrasslade fotoner när de upptäcks genom att göra dem mindre mätbara på andra platser - en process som kallas kvantklämning. Det är oerhört viktigt eftersom att minska mängden brus gör att mätningarna kan göras mycket mer exakta. Och mängden klämning är exakt kvantifierbar, så det är lätt att se hur mycket av denna kvantegenskap som används.
Detta gav Liu och co en idé. Eftersom många former av kvantberäkning involverar fotoner, ersatte de vanliga fotoner med klämda versioner. Kvantiteten som är involverad i varje beräkning kan sedan kvantifieras exakt genom mängden klämning som krävs för att utföra dem. Liu och co mätte det i qumodes, därav titeln på tidningen.
Resultaten ger intressant läsning. Liu och co säger att deterministisk kvantberäkning med en kvantbit kräver noll squeezing och kommer därför längst ner i hierarkin av kvantklockhastigheter.
Däremot beror mängden klämning som krävs för kvantfaktorering på storleken på antalet som faktoriseras. Faktum är att mängden klämning ökar exponentiellt när antalet blir större.
Det gör att dessa två former av kvantberäkning kan jämföras för första gången. Detta introducerar ett nytt perspektiv för att tänka på hierarkier i kvantalgoritmer, säger Liu och co.
Det borde vara praktiskt i framtiden. Och det finns en intressant följd som innebär att kvantberäkningen nu görs av organisationer som Google och NASA med tillstånd av en datorenhet som säljs av ett företag som heter D-Wave Systems.
Den här maskinen använder kvantglödgning för att beräkna men den är mycket kontroversiell. D-Wave insisterar på att maskinen är exponentiellt snabbare än konventionella datorer för vissa typer av beräkningar. Men många fysiker är djupt skeptiska och säger att den saknar den väsentliga kvantitet som behövs för att utföra de påstådda beräkningsprestationerna.
Kanske den nya kvantklämningsmetoden kan hjälpa. Om det ger ett rättvist sätt att jämföra prestanda hos D-Waves maskin med andra former av kvantberäkning, så skulle denna debatt kunna läggas ner. Och det borde göra det möjligt att med säkerhet säga om denna teknik någonsin kommer att leda till en maskin som är mer kraftfull än Tianhe-2.
Ref: arxiv.org/abs/1510.04758 : Kraften i One Qumode