研究人员利用机器学习,高效地在20维量子藏宝图中穿梭浏览,不仅找到了宝藏,还创造了一个新词。研究成果以“Robust and Efficient High-Dimensional Quantum State Tomography”为题,发表在《物理评论快报》上[2]。

昆士兰大学的物理学家Markus Rambach博士表示,团队使用自导断层扫描技术(self-guided tomography),能够更快更准确地发现未知量子态

研究团队还引入了新词“quvigint”,类似于“qubit”(量子比特),只不过它的取值不仅为2个,而是20个。

Rambach博士补充说,像quvigint这样的高维量子态,非常适合安全存储并发送大量信息

Rambach博士及其团队在纯态量子态上测试了自导断层扫描技术,纯态量子态可以在复杂的希尔伯特空间中以单向量表示。研究证明,该技术在这样的高维系统中依然有效,不论是3维、5维,还是20维,都能达到99%以上的测量保真度

虽然提出自导断层扫描技术最初是为了测量纯态,但研究人员将该方法扩展到能够处理混合态。对于三维的混合态量子比特,测量保真度约为95%甚至更高。而这种高保真度正是读取基于高维量子信息的量子计算机所必需的

然而,在更高维度下寻找未知状态变得越来越困难,因为这在赋予量子设备强大算力的同时,也限制了我们描述它们的能力。

Rambach博士将这个问题与在高维量子藏宝图中寻找宝藏相比拟。他描述道,我们知道我们在哪里,也知道宝藏的存在,但就是不知道该走哪条路才能找到宝藏。

在高维量子“藏宝图”中发现宝藏,新量子比特取值神奇达到20个-量子客
图|quvigint(来源:Markus Rambach)

假如使用的是标准断层扫描技术,那么为了解决该问题,首先需要确定查找方向,并确保覆盖整个地图。然后收集并存储所有相关数据,最后对数据进行处理,找到宝藏。

而使用自导断层扫描技术,我们随机选取两个方向,都试一试,然后根据机器学习算法的线索,选出离宝藏更近的那个方向。之后重复这个过程,直到我们找到宝藏。

自导断层扫描技术节省了大量的时间与精力,意味着我们可以更快、更容易地找到宝藏。在这个情景下,也就是“quvigint”

为了进一步说明自导断层扫描技术,研究团队模拟了quvigint在大气层中运动的轨迹,就像在地球上的两点之间或星地之间传送量子信息时一样。

随着quvigint的移动,它受到大气湍流的影响。标准断层扫描技术非常容易受到这类噪声的影响,但自导断层扫描技术使团队能够以较高的精度重建原始的quvigint。

自导断层扫描技术不同于其他寻找未知量子态的方法,它更加高效、准确、抗噪、可扩展,就像quvigints一样,也可以将它应用于原子或离子系统上

 

 

参考链接:

[1]https://www.uq.edu.au/news/article/2021/03/finding-quvigints-quantum-treasure-map

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.100402

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳