Komputery kwantowe to wciąż marzenie, ale nadeszła era komunikacji kwantowej. Nowy eksperyment przeprowadzony w Paryżu po raz pierwszy wykazał, że komunikacja kwantowa przewyższa klasyczne metody przesyłania informacji.
„Jako pierwsi zademonstrowaliśmy przewagę kwantową w przekazywaniu informacji potrzebnych dwóm stronom do wykonania zadania” - mówi Eleni Diamanti, inżynier elektryk z Sorbony i współautorka badania.
Oczekuje się, że maszyny kwantowe - które wykorzystują kwantowe właściwości materii do kodowania informacji - zrewolucjonizują obliczenia. Jednak postęp w tej dziedzinie jest niezwykle powolny. Podczas gdy inżynierowie pracują nad stworzeniem prymitywnych komputerów kwantowych, teoretycy napotkali bardziej fundamentalną przeszkodę: nie udało im się udowodnić, że klasyczne komputery nigdy nie są w stanie wykonać zadań, do których zostały zaprojektowane. Na przykład zeszłego lata pewien facet z Teksasu udowodnił, że problem, który przez długi czas uważano za możliwy do rozwiązania tylko na komputerze kwantowym, można szybko rozwiązać na klasycznym komputerze.
Witamy w epoce kwantowej
Jednak w dziedzinie komunikacji (nie informatyki) zalety podejścia kwantowego można potwierdzić. Ponad dziesięć lat temu naukowcy udowodnili, że przynajmniej w teorii komunikacja kwantowa przewyższa klasyczne sposoby przesyłania wiadomości do określonych zadań.
„Ludzie zajmowali się głównie zadaniami obliczeniowymi. Jedną z dużych zalet jest to, że w przypadku zadań komunikacyjnych korzyści są widoczne”.
W 2004 roku Jordanis Kerenidis, współautor pracy Diamanti, oraz dwaj inni naukowcy przedstawili scenariusz, w którym jedna osoba musiała przesłać informacje do drugiej, aby druga osoba mogła odpowiedzieć na konkretne pytanie. Badacze udowodnili, że obwód kwantowy może wykonać zadanie, przesyłając wykładniczo mniej informacji niż układ klasyczny. Ale przedstawiony przez nich obwód kwantowy był czysto teoretyczny - i daleko wykraczał poza dzisiejszą technologię.
Film promocyjny:
„Udało nam się potwierdzić tę przewagę kwantową, ale wdrożenie protokołu kwantowego było niezwykle trudne” - mówi Kerenidis.
Nowa praca jest zmodyfikowaną wersją scenariusza przewidzianego przez Kerenidisa i jego współpracowników. Jak zwykle przejdźmy do dwóch tematów, Alice i Bob. Alice ma zestaw ponumerowanych piłek. Każda kulka jest losowo oznaczona kolorem czerwonym lub niebieskim. Bob chce wiedzieć, czy dana para piłek, wybrana losowo, ma ten sam kolor, czy jest inny. Alicja chce wysłać Bobowi jak najmniej informacji, jednocześnie upewniając się, że Bob może odpowiedzieć na jego pytanie.
Ten problem jest określany jako „problem z dopasowywaniem wzorców”. Jest to niezbędne w przypadku kryptografii i walut cyfrowych, w których użytkownicy często chcą wymieniać informacje bez ujawniania wszystkiego, co wiedzą. Doskonale pokazuje również korzyści płynące z komunikacji kwantowej.
Nie można po prostu powiedzieć: chcę wysłać film lub coś o wielkości gigabajta i zakodować go w stanie kwantowym, spodziewając się kwantowej przewagi, mówi Thomas Vidick, informatyk z California Institute of Technology. „Musimy rozważyć bardziej subtelne zadania”.
Aby uzyskać klasyczne rozwiązanie problemu z dopasowywaniem, Alicja musi wysłać Bobowi ilość informacji proporcjonalną do pierwiastka kwadratowego z liczby piłek. Jednak niezwykła natura informacji kwantowej umożliwia bardziej wydajne rozwiązanie.
W obwodzie laboratoryjnym wykorzystanym w nowej pracy Alicja i Bob komunikują się za pomocą impulsów laserowych. Każdy impuls reprezentuje jedną piłkę. Impulsy przechodzą przez rozdzielacz wiązki, który wysyła połowę każdego impulsu do Alicji i Boba. Kiedy impuls dotrze do Alicji, może przesunąć fazę impulsu lasera, aby zakodować informacje o każdej piłce - w zależności od jej koloru, czerwonego lub niebieskiego.
W międzyczasie Bob zapisuje informacje o parach kulek, które go interesują, w swojej połowie impulsów lasera. Następnie impulsy zbiegają się w innym rozdzielaczu wiązki, gdzie interferują ze sobą. Wzorzec interferencji wytwarzany przez impulsy odzwierciedla różnice w przesunięciu faz każdego impulsu. Bob może odczytać wzór interferencji na najbliższym detektorze fotonów.
Do chwili, gdy Bob „czyta” wiadomość laserową Alicji, wiadomość kwantowa Alicji jest w stanie odpowiedzieć na każde pytanie dotyczące dowolnej pary. Ale proces odczytywania wiadomości kwantowej niszczy ją i Bob otrzymuje informację o tylko jednej parze kulek.
Ta właściwość informacji kwantowej - że można ją odczytać na różne sposoby, ale ostatecznie tylko jeden z nich będzie ją czytać - znacznie zmniejsza ilość informacji, które można przekazać w celu rozwiązania problemu dopasowania próbki. Jeśli Alicja musi wysłać Bobowi 100 klasycznych bitów, aby mógł odpowiedzieć na jego pytanie, może wykonać to samo zadanie z około 10 kubitami, czyli bitami kwantowymi.
To dowód na to, że trzeba stworzyć prawdziwą sieć kwantową, mówi Graham Smith, fizyk z JILA w Boulder w Kolorado.
Nowy eksperyment to wyraźny triumf nad klasycznymi metodami. Naukowcy rozpoczęli eksperyment, wiedząc dokładnie, ile informacji należy przesłać w klasyczny sposób, aby rozwiązać problem. Następnie przekonująco wykazali, że narzędzia kwantowe mogą rozwiązać ten problem w bardziej zwarty sposób.
Wynik ten stanowi również alternatywną drogę do długotrwałego celu w informatyce: udowodnienia, że komputery kwantowe są lepsze od klasycznych komputerów.
Ilya Khel