东京科学大学 信用:CC0公共领域 傅立叶变换是一种重要的数学工具，它将一个函数或数据集分解成其组成频率，就像人们可以将一个音乐和弦分解成其音符的组合一样
它以某种形式应用于所有工程领域，相应地，高效计算它的算法也得到了发展——也就是说，至少对传统计算机而言是这样
但是量子计算机呢？ 尽管量子计算仍然是一个巨大的技术和智力挑战，但它有潜力极大地加速许多程序和算法，只要设计出合适的量子电路
特别是，傅立叶变换已经有了一个量子版本，叫做量子傅立叶变换(QFT)，但是它的适用性非常有限，因为它的结果不能用于后续的量子算术运算
为了解决这个问题，在最近发表在《量子信息处理》杂志上的一项研究中，东京科学大学的科学家开发了一种新的量子电路，它可以执行量子快速傅立叶变换，并充分受益于量子世界的特性
这项研究的想法来自于
朝日良，硕士一年级学生，也是这项研究的科学家之一，他第一次了解到QFT及其局限性
他认为，基于标准傅里叶变换的一种变体——快速傅里叶变换——创造一种更好的替代方法是有用的，快速傅里叶变换是传统计算中不可或缺的算法，如果输入数据满足一些基本条件，它会大大加快速度
为了设计快速傅里叶变换的量子电路，科学家们必须首先设计量子算术电路来执行快速傅里叶变换的基本操作，如加法、减法和数字移位
他们的算法的一个显著优点是不产生“垃圾比特”；计算过程没有浪费任何量子位，量子信息的基本单位
考虑到增加量子计算机的量子比特数在过去几年里一直是一场艰苦的战斗，这种用于快速傅立叶变换的新型量子电路能够有效地使用量子比特的事实是非常有希望的
他们的量子电路相对于传统QFT的另一个优点是，他们的实现利用了量子世界的独特性质，大大提高了计算速度
领导这项研究的副教授坂井一夫解释说:“在量子计算中，我们可以利用一种被称为‘状态叠加’的现象，同时处理大量信息
这使我们能够一次将大量数据(如多幅图像和声音)转换到频域
“处理速度通常被认为是量子计算的主要优势，这种新颖的快速傅立叶变换电路代表了朝着正确方向迈出的一步
此外，与QFT相比，快速傅里叶变换电路的用途更广，正如也参与这项研究的助理教授魉呼·亚哈吉所说:“快速傅里叶变换的一个主要优点是，它适用于任何可以用常规快速傅里叶变换解决的问题，例如医学领域的数字图像滤波或工程应用的声音分析
“随着量子计算机的出现(希望如此)，这项研究的结果将使采用量子算法来解决许多依赖快速傅立叶变换的工程问题变得更加容易
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