Исследователи из Технического университета Дании, совместно с коллегами из США, Канады и Южной Кореи, разработали инновационный метод, позволяющий значительно ускорить процесс обучения квантовых систем. Традиционные подходы, основанные на многократных измерениях и статистическом анализе, сталкиваются с серьезными ограничениями в квантовом мире. Неизбежный шум измерений и принцип неопределенности Гейзенберга существенно затрудняют получение достоверной информации, а сложность систем требует астрономического числа экспериментов, делая обучение нереалистичным.
Новый подход, описанный в журнале Science, использует запутанный свет и коллективные измерения для демонстрации явного квантового преимущества на масштабируемой фотонной платформе. Профессор Ульрик Лунд Андерсен из DTU Physics, ведущий автор исследования, подчеркнул, что это первое доказанное квантовое преимущество для фотонной системы. Простота оптической установки, по его мнению, должна стимулировать поиск новых областей применения, таких как сенсорика и машинное обучение.
Классические методы обучения, основанные на раздельных измерениях проб, требуют экспоненциального роста числа выборок с увеличением размера системы. Даже адаптивные методы не способны преодолеть это ограничение. Предыдущие эксперименты с использованием сверхпроводящих кубитов намекали на квантовое преимущество, но масштабирование таких систем оставалось сложной задачей. Исследователи из Дании выбрали иной путь, отказавшись от кубитов в пользу фотонной платформы с непрерывными переменными. Это позволило одновременно работать с более чем сотней оптических мод и кодировать информацию во времени, а не в отдельных частицах.
В основе задачи обучения лежат случайные многомодовые процессы смещения, описывающие шум в оптических технологиях. Эти процессы имеют широкое применение, от детектирования гравитационных волн до поиска темной материи и микроскопического зондирования сил. Традиционное обучение таких процессов требует реконструкции характеристической функции, отражающей распределение шума. Однако, наиболее важные, высокочастотные части этой функции, содержащие тонкие особенности, сложно разрешить. Теоретические расчеты предсказывают, что без использования квантовой запутанности, для их изучения потребуется экспоненциальное число выборок.
Команда DTU обошла это ограничение, применяя квантовую запутанность. Каждый режим пробной волны был сопряжен с режимом памяти, образуя состояние Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR). После прохождения через процесс смещения, пробный режим и режим памяти измеряются совместно. Эти совместные измерения выявляют корреляции в амплитуде и фазе с точностью, определяемой степенью сжатия света. Таким образом, время, необходимое для решения задач квантового обучения, сократилось с теоретических 20 миллионов лет до практических 15 минут.
По материалам: thebrighterside.news