Scienziati della Facoltà di Fisica, Università di Varsavia, in collaborazione con l'Università di Oxford e il NIST, hanno dimostrato che l'interferenza quantistica consente l'elaborazione di grandi insiemi di dati in modo più rapido e accurato rispetto ai metodi standard. I loro studi potrebbero potenziare le applicazioni delle tecnologie quantistiche nell'intelligenza artificiale, robotica e diagnostica medica, Per esempio. I risultati di questo lavoro sono stati pubblicati in Progressi scientifici .

scienza contemporanea, medicinale, l'ingegneria e la tecnologia dell'informazione richiedono un'elaborazione efficiente dei dati:immagini fisse, segnali sonori e radio, così come le informazioni provenienti da diversi sensori e fotocamere. Dagli anni '70, ciò è stato ottenuto mediante l'algoritmo Fast Fourier Transform (FFT). La FFT consente di comprimere e trasmettere in modo efficiente i dati, memorizzare immagini, trasmettere la TV digitale, e parlare al cellulare. Senza questo algoritmo, non sarebbero stati sviluppati sistemi di imaging medico basati sulla risonanza magnetica o sugli ultrasuoni. Però, è ancora troppo lento per molte applicazioni esigenti.

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati hanno cercato per anni di sfruttare la meccanica quantistica. Ciò ha portato allo sviluppo di una controparte quantistica della FFT, la trasformata quantistica di Fourier (QFT), che può essere realizzato con un computer quantistico. Poiché il computer quantistico elabora simultaneamente tutti i possibili valori (le cosiddette "sovrapposizioni") dei dati di input, il numero di operazioni diminuisce notevolmente.

Nonostante il rapido sviluppo dell'informatica quantistica, c'è una relativa stagnazione nel campo degli algoritmi quantistici. Ora gli scienziati hanno dimostrato che questo risultato può essere migliorato, e in modo piuttosto sorprendente.

Trasformazione di Kravchuk

La matematica descrive molte trasformazioni. Uno di questi è una trasformazione di Kravchuk. È molto simile alla FFT, in quanto consente l'elaborazione di dati discreti (ad esempio digitali), ma usa le funzioni di Kravchuk per scomporre la sequenza di input nello spettro. Alla fine degli anni '90, la trasformazione di Kravchuk è stata "riscoperta" in informatica. Si è rivelato eccellente per l'elaborazione di immagini e suoni. Ha permesso agli scienziati di sviluppare algoritmi nuovi e molto più precisi per il riconoscimento di testi stampati e scritti a mano (compresa anche la lingua cinese), gesti, linguaggio dei segni, le persone, e volti. Una dozzina di anni fa, è stato dimostrato che questa trasformazione è ideale per l'elaborazione di bassa qualità, dati rumorosi e distorti, e quindi potrebbe essere utilizzato per la visione artificiale nella robotica e nei veicoli autonomi. Non esiste un algoritmo veloce per calcolare questa trasformazione, ma si scopre che la meccanica quantistica permette di aggirare questa limitazione.

Il "Santo Graal" dell'informatica

Nel loro articolo pubblicato su Progressi scientifici , scienziati dell'Università di Varsavia-Dr. Magdalena Stobinska e il dottor Adam Buraczewski, scienziati dell'Università di Oxford, e NIST, hanno dimostrato che la porta quantistica più semplice, che interferisce tra due stati quantistici, essenzialmente calcola la trasformata di Kravchuk. Tale porta potrebbe essere un noto dispositivo ottico:un divisore di raggio, che divide i fotoni tra due uscite. Quando due stati di luce quantistica entrano nelle sue porte di ingresso da due lati, interferiscono. Per esempio, due fotoni identici, che entrano contemporaneamente in questo dispositivo, raggrupparsi in coppie e uscire insieme dalla stessa porta di uscita. Questo è il noto effetto Hong-Ou-Mandel, che può essere esteso anche a stati costituiti da molte particelle. Interferendo "pacchetti" costituiti da molti fotoni indistinguibili (l'indistinguibilità è molto importante, poiché la sua assenza distrugge l'effetto quantistico), che codificano le informazioni, si ottiene un computer quantistico specializzato che calcola la trasformata di Kravchuk.

L'esperimento è stato eseguito in un laboratorio di ottica quantistica presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Oxford, dove è stata costruita una configurazione speciale per produrre stati quantistici multifotoni, cosiddetti Stati di Fock. Questo laboratorio è dotato di TES (Transmission Edge Sensors), sviluppato dal NIST, che operano a temperature prossime allo zero assoluto. Questi rivelatori possiedono una caratteristica unica:possono effettivamente contare i fotoni. Ciò consente di leggere con precisione lo stato quantistico uscendo dal divisore di fascio e quindi, il risultato del calcolo. Più importante, tale calcolo della trasformata quantistica di Kravchuk richiede sempre lo stesso tempo, indipendentemente dalle dimensioni del set di dati di input. È il "Santo Graal" dell'informatica:un algoritmo composto da una sola operazione, implementato con un unico cancello. Certo, per ottenere il risultato in pratica, è necessario eseguire l'esperimento diverse centinaia di volte per ottenere le statistiche. È così che funziona ogni computer quantistico. Però, non ci vuole molto, perché il laser produce decine di milioni di "pacchetti" multifotoni al secondo.

Il risultato ottenuto da scienziati polacchi, il Regno Unito e gli Stati Uniti troveranno applicazioni nello sviluppo di nuove tecnologie quantistiche e algoritmi quantistici. La sua gamma di usi va oltre la fotonica quantistica, poiché un'interferenza quantistica simile può essere osservata in molti sistemi quantistici diversi. L'Università di Varsavia ha richiesto un brevetto internazionale per questa innovazione. Gli scienziati sperano che la trasformata di Kravchuk trovi presto impiego nel calcolo quantistico, dove diventerà un componente di nuovi algoritmi, specialmente nei computer ibridi quanto-classici che uniscono circuiti quantistici con layout digitali "normali".