使用聲波的工程師可以更穩(wěn)定 更輕松地搜索大數(shù)據(jù)

人類在數(shù)字時(shí)代創(chuàng)造了大量數(shù)據(jù) - 無論是通過社交媒體帖子，電子郵件和谷歌搜索等日常用品，還是有關(guān)健康，財(cái)務(wù)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的更復(fù)雜信息。

國際數(shù)據(jù)公司報(bào)告稱，2018年全球數(shù)據(jù)球包含33個(gè)zettabytes，即33萬億GB。到2025年，他們預(yù)計(jì)這個(gè)數(shù)字將增長到175 zettabytes。存儲在DVD上的175個(gè)zettabytes信息將填充足夠的DVD以圈出地球222次。

雖然量子計(jì)算被吹捧為智能分類大數(shù)據(jù)的一種方式，但量子環(huán)境很難創(chuàng)建和維護(hù)。糾纏量子比特狀態(tài)或量子比特通常在崩潰之前持續(xù)不到一秒鐘。Qubits對周圍環(huán)境也非常敏感，必須在低溫下儲存。

在通訊物理學(xué)發(fā)表的一篇論文中，亞利桑那大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究人員證明了在經(jīng)典環(huán)境中聲波可以在沒有時(shí)間限制和脆弱性的情況下進(jìn)行量子信息處理工作。

“我們可以運(yùn)行我們的系統(tǒng)多年，”材料科學(xué)與工程系研究主任，該論文的作者之一Keith Runge說。“它非常強(qiáng)大，我們可以把它帶到一個(gè)貿(mào)易展之外，而不會在今年早些時(shí)候受到干擾，我們做到了。”

材料科學(xué)與工程研究助理教授Arif Hasan領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。其他合著者包括MSE研究助理教授Lazaro Calderin; 本科生Trevor Lata; 皮埃爾盧卡斯，MSE和光學(xué)科學(xué)教授; 和Pierre Deymier，MSE部門主管，應(yīng)用數(shù)學(xué)研究生跨學(xué)科項(xiàng)目成員，以及BIO5研究所成員。該團(tuán)隊(duì)正在與亞利桑那州的Tech Launch辦公室合作，該辦公室將研究產(chǎn)生的發(fā)明商業(yè)化，為其設(shè)備申請專利，并正在調(diào)查商業(yè)途徑，以便將創(chuàng)新帶給公眾。

量子疊加

在經(jīng)典計(jì)算中，信息存儲為0或1，與硬幣必須落在頭部或尾部的方式相同。在量子計(jì)算中，量子比特可以同時(shí)存儲在兩種狀態(tài)中 - 即所謂的狀態(tài)疊加。想象一下側(cè)面平衡的硬幣，旋轉(zhuǎn)得如此之快，以至于頭部和尾部似乎同時(shí)出現(xiàn)。

當(dāng)量子比特被糾纏時(shí)，一個(gè)量子比特發(fā)生的任何事物都會通過一種稱為不可分離性的原則影響另一個(gè)量子比特。換句話說，在桌子上擊倒一個(gè)旋轉(zhuǎn)硬幣，同一桌子上的另一個(gè)旋轉(zhuǎn)硬幣也倒下。一種稱為非局域性的原則即使它們相距很遠(yuǎn)也能保持粒子的連接 - 擊倒一個(gè)旋轉(zhuǎn)的硬幣，而宇宙另一側(cè)的糾纏對應(yīng)物也會下降。糾纏的量子比特創(chuàng)造了一個(gè)貝爾狀態(tài)，其中一個(gè)集體的所有部分都相互影響。

“這很關(guān)鍵，因?yàn)槿绻阒徊倏v一個(gè)量子比特，那么你就是在操縱整個(gè)量子比特集合，”Deymier說。“在普通計(jì)算機(jī)中，你有許多信息存儲為0或1，你必須解決它們中的每一個(gè)。”

從光到聲

但是，就像硬幣在其邊緣旋轉(zhuǎn)一樣，量子力學(xué)是脆弱的。測量量子態(tài)的行為可能會導(dǎo)致鏈接崩潰或消失 - 就像拍一張旋轉(zhuǎn)硬幣的圖片意味著只捕獲硬幣的一面一樣。這就是為什么量子比特狀態(tài)只能維持很短的時(shí)間。

但是有一種方法可以使用量子力學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：光學(xué)科學(xué)家和電子和計(jì)算機(jī)工程研究人員已經(jīng)證明了創(chuàng)建光子系統(tǒng)或光學(xué)系統(tǒng)的能力，這些系統(tǒng)在不具有非局域性的情況下表現(xiàn)出不可分離性。雖然非局域性對于密碼學(xué)等特定應(yīng)用非常重要，但對于量子計(jì)算等應(yīng)用來說，這是非易失性。在經(jīng)典貝爾狀態(tài)下不可分離的粒子，而不是糾纏在量子貝爾狀態(tài)，更加穩(wěn)定。

在材料科學(xué)和工程團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了第一次古典nonseparability可應(yīng)用于聲波，而不僅僅是光波采取這一一步。它們使用phi-bits，由稱為聲子的準(zhǔn)粒子組成的單元，傳輸聲波和熱波。

“光激光和單光子是場光子學(xué)的一部分，但聲波也屬于聲學(xué)，或聲子的研究，”Deymier說。“除了穩(wěn)定之外，經(jīng)典糾纏的聲波很容易與之相互作用和操縱。”

復(fù)雜科學(xué)，簡單工具

展示如此復(fù)雜概念的材料很簡單，包括三根鋁棒，足夠的環(huán)氧樹脂連接它們和一些橡皮筋以增加彈性。

研究人員向桿發(fā)出一波聲音振動(dòng)，然后監(jiān)測波的兩個(gè)自由度：波向下移動(dòng)桿的方向(向前或向后)以及桿如何相對于彼此移動(dòng)(無論它們是否在向外揮動(dòng))相同的方向和相似的幅度)。為了將系統(tǒng)激發(fā)到不可分離的狀態(tài)，他們確定了這兩個(gè)自由度相關(guān)聯(lián)的頻率，并以該頻率發(fā)送波。結(jié)果?貝爾州。

“所以，我們有一個(gè)聲學(xué)系統(tǒng)，可以讓我們創(chuàng)造出這些貝爾狀態(tài)，”Deymier說。“這是量子力學(xué)的完全模擬。”

證明這是可能的，這為在新興的聲學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)典的不可分性打開了大門。接下來，研究人員將努力增加可以經(jīng)典糾纏的自由度 - 越多越好。他們還希望開發(fā)可以使用這些不可分離狀態(tài)來處理信息的算法。

一旦系統(tǒng)完善，他們計(jì)劃將其從桌面調(diào)整到微尺度，準(zhǔn)備部署在世界各地的數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)芯片上。