Сжатие квантовых данных откроет новые вычислительные возможности

Крупная международная команда физиков из Канады и Японии сообщила об успешном завершении своего эксперимента. Учёным впервые удалось произвести сжатие аналога квантовых данных, уместив в двух кубитах информацию, прежде содержавшуюся в трёх. Эта технология открывает новые возможности по максимально эффективному использованию квантовой памяти и тестированию квантовых логических элементов.

Сжатие обычных данных является довольно простой и отработанной процедурой, в результате которой строка информации занимает меньше места в памяти компьютера. Строка, к примеру, из тысячи двоичных чисел может быть записана всего лишь как частота повторения значения "1" или "0", что будет выглядеть как дюжина чисел. Запись информации о порядке этих значений потребует несколько больше места, но полученная строка всё равно будет короче исходной.

Квантовые данные весьма отличаются от обычных, что делает невозможным записать частоты повторения значений в строке квантовой информации. Проблема в причудливой природе кубитов, которые, в отличие от классических битов, могут принимать значения "1" или "0", а также находиться в состоянии квантовой суперпозиции, имея сразу несколько значений.

Физики уместили информацию трёх кубитов в двух (иллюстрация University of Toronto).

Согласно законам квантовой физики, пользователь сможет выполнить измерение и определить, принимает ли отдельно взятый кубит значение "1". Но в данном случае такое измерение уничтожит любую информацию о значении "0", принимаемом кубитами. Более того, если пользователь затем измерит аналогичным образом второй кубит, то значение "1" может обозначать уже совершенно иную информацию, поскольку кубиты не определяют какие-то единичные значения, но лишь указывают на вероятность исходов измерений.

Это свойство квантовых битов, казалось бы, исключает саму возможность сжатия даже абсолютно одинаковых кубитов, поскольку не существует никакого способа прогнозирования того, какие значения они примут в конце концов.

В 2010 году физики Мартин Плеш (Martin Plesch) и Владимир Бузек (Vladimír Bužek) из Словацкой академии наук в Братиславе поняли, что квантовые данные невозможно сжать до такой же степени, что и обычные, но до определённое степени это вполне осуществимо.


Учёные поняли, что пока квантовая природа строки одинаково подготовленных кубитов сохраняется, остаётся возможность передать их через цепь, записывающую только их вероятностную природу. Такая запись потребует экспоненциально меньшее число кубитов и позволит пользователю легко хранить квантовую информацию в квантовой памяти, которая в настоящее время является ограниченным ресурсом. А через некоторое время пользователь сможет решить, какой тип измерения потребуется для считывания данных.

"Таким образом, вы можете хранить кубиты, пока вы не определитесь, какой вопрос вас интересует. Вы сможете найти значение "x", если вас интересует "x". Значение кубитов будет зависеть от конкретной информационной задачи", — поясняет ведущий автор нового исследования Эфраим Штайнберг (Aephraim Steinberg) из университета Торонто.

В отличие от классических битов, кубиты могут принимать значения "1", "0", а также находиться в состоянии квантовой суперпозиции, имея сразу несколько значений (иллюстрация Clemens Adolphs).

Штайнберг и его коллеги продемонстрировали, как работает квантовое сжатие данных на примере с фотонными кубитами. Поскольку фотонные кубиты в настоящее время очень трудно обрабатываются в квантовых логических элементах, физики применили технологию, известную как измерения на основе квантовых вычислений, при которой результаты логического элемента встроены в кубиты, находящиеся в состоянии квантовой запутанности с единым источником. В результате учёным удалось передать вероятностный характер трёх кубитов в двух кубитах.

Плеш говорит, что это первый в истории случай, когда было произведено сжатие квантовых данных, и считает, что Штейнберг и коллеги придумали "хороший трюк", чтобы заставить технологию работать. Однако, по словам теоретика, такую методику трудно заставить работать с большим числом кубитов.

Штейнберг же считает, что более масштабные примеры квантового сжатия могут быть осуществлены с различными типами кубитов, такими как захваченные ионы, которые считаются проще управляемыми в больших группах частиц.

Практическое применение этой технологии найдёт себя в тестировании квантовых приборов, использующих процесс, известный как квантовая томография, при котором множество одинаково подготовленных кубитов отправляются через квантовое устройство, чтобы проверить его функциональность.

По словам учёного, с помощью квантовой компрессии данных можно выполнить томографический эксперимент и затем решить, какое свойство устройства необходимо испытать.

В то же время, эксперимент, только что проведённый канадскими физиками, демонстрирует в очередной раз странности квантового мира. Как поясняет Штейнберг в пресс-релизе, если бы вы в руках держали книгу, в которой множество раз повторяется единица, то вы могли бы рассказать своему другу, что эта книга состоит из одних лишь единиц.

Однако с точки зрения квантовой механики, это не будет правдой: даже если взять миллиард одинаково подготовленных фотонов, пользователи могли бы получить различную информацию от каждого из них. А чтобы определить их состояние, потребуется бесконечное число единиц классической информации.