如果沒有壓縮資料的演算法將資訊編碼成更少的位元，硬碟驅動器就會被堵塞，網際網路流量就會慢如蝸牛。現在，加拿大的一組物理學家首次展示了壓縮未來計算機中可能使用的資料型別是可行的——這種資料型別被稱為量子位元（qubits）。
量子計算機有望以比傳統計算機快得多的指數級速度執行某些任務，例如破解加密金鑰或搜尋資料庫。這種速度的提升部分歸功於以下事實：在傳統計算機中，一個資訊位元可以是 0 或 1，而量子計算機可以將資訊同時儲存為兩個值，因此可以存在於兩種狀態的廣泛“疊加”中。
量子技術仍處於起步階段，許多在傳統計算機中常見的流程尚未在量子計算機中得到演示，包括資料壓縮。多倫多大學的量子物理學家艾弗雷姆·斯坦伯格和他的同事們著手執行一項看似簡單的任務：壓縮多個相同量子位元中包含的資訊。
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他們指出，在經典意義上，這種操作是微不足道的，因為任意數量的相同位元序列本質上與一個位元編碼的資訊相同。然而，對於量子物體來說，情況並非如此。量子力學的機率性質意味著，對不同但相同製備的量子位元進行相同的測量會產生一系列值。因此，準確記錄一個量子位元的量子態涉及對多個相同副本進行測量並對結果進行平均。
順序的重要性
斯坦伯格和他的同事們已經展示瞭如何透過利用這樣一個事實來減少量子位元的增殖：這些物體編碼的大部分資訊與其排序有關，而不是與其量子態有關。
例如，如果三個量子位元都可以處於 0 和 1 的疊加態，則測量它們將產生八種可能的結果：000、001、010、011、100、101、110 或 111。但對於平均測量值，只有四種選擇：0、1/3、2/3 或 1。例如，001 產生 (0+0+1)/3 = 1/3，010 和 100 也一樣（數字相同，但順序不同）；110 產生 (1+1+0)/3 = 2/3，101 和 011 也一樣。
研究人員說，由於量子位元是相同的，因此排序中的額外資訊可以簡單地丟棄。為了說明這一點，斯坦伯格舉了一個經典物理學的例子。“保留所有資訊，”他說，“就像儲存莎士比亞的全集只是為了找出英語中字母的平均使用率一樣。” 這些結果將發表在《物理評論快報》上。
這項研究建立在馬薩諸塞理工學院（MIT）劍橋分校的艾薩克·莊領導的一組理論物理學家在 2006 年的工作基礎上，該小組在數學上證明了可以構建一個電路，該電路可以將量子位元的排列和狀態資訊分離到單獨的暫存器中。斯坦伯格和他的同事們現在已經使用雷射和其他光學元件，透過實驗演示了該想法的實用三量子位元版本。
通常，每個量子位元都編碼在一個光子中，但作者做得更好，僅使用兩個光子來編碼三個量子位元。他們使用一個光子的偏振和路徑資訊來編碼前兩個量子位元，並使用第二個光子的偏振來編碼第三個量子位元。
進展順利
將三個量子位元的資料壓縮為兩個量子位元可能看起來微不足道，但該團隊表示，隨著量子位元數量的增加，這個比例將呈指數增長，1,000 個量子位元的狀態資訊僅由 10 個表示，100 萬個量子位元的狀態資訊則被壓縮到 20 個。
然而，加州大學河濱分校的量子物理學家亞歷山大·科羅特科夫（未參與這項最新研究）指出，作者的壓縮方案不適用於通用量子計算機，該計算機使用高度相關或“糾纏”的量子位元。例如，兩個量子位元都可以處於 1 和 0 的疊加態，但當測量時，它們可能總是處於相反的狀態，即 10 或 01。
此外，斯洛伐克科學院布拉迪斯拉發分校的理論物理學家馬丁·普萊什表示，將該方法擴充套件到更多數量的光子可能很困難。
斯坦伯格承認了這些困難，並建議可以使用捕獲的離子或超導體而不是光子來壓縮量子位元。“我們面臨的問題正是構建更大量子計算機時面臨的問題，”他說。
本文經許可轉載，並於 2014 年 9 月 29 日首次釋出。