Новітній експеримент довів, що квантові послання можна передавати набагато швидше класичних

Квантові комп'ютери все ще залишаються мрією, але епоха квантових комунікацій вже настала. Новий експеримент, проведений в Парижі, вперше показав, що квантовий повідомлення перевершує класичні методи передачі інформації.

«Ми першими продемонстрували квантовий перевагу в передачі інформації, яка потрібна двом сторонам для виконання завдання», кажи Елені Діаманті, інженер-електрик з Університету Сорбонни і співавтор дослідження.

Очікується, що квантові машини — які використовують квантові властивості матерії для кодування інформації — зроблять революцію в обчислювальній техніці. Але прогрес у цій області був дуже повільним. У той час як інженери працюють над створенням елементарних квантових комп'ютерів, вчені-теоретики зіткнулися з більш фундаментальною перешкодою: вони не змогли довести, що класичні комп'ютери ніколи не зможуть виконати завдання, для яких призначені квантові комп'ютери. Минулого літа, наприклад, хлопець з Техасу довів, що проблема, яка довгий час вважалася розв'язуваної тільки на квантовому комп'ютері, може бути швидко вирішена і на класичному.

Ласкаво просимо в квантовий століття

Проте в області комунікацій (а не обчислень) переваги квантового підходу можна підтвердити. Більше десяти років тому вчені довели, що, принаймні, теоретично, квантова комунікація перевершує класичні способи надсилання повідомлень для певних завдань.

« в основному займалися обчислювальними завданнями. Одним з великих плюсів є те, що у випадку з комунікаційними завданнями переваги доказові».

У 2004 році Иорданис Керенидис, співавтор роботи Діаманті, і ще двоє вчених представили сценарій, в якому одній людині потрібно було надіслати інформацію іншому, щоб другий чоловік міг відповісти на конкретне питання. Дослідники довели, що квантова схема може виконати завдання, передаючи експоненціально менше інформації, ніж класична система. Але квантова схема, яку вони представили, була суто теоретичною і далеко за межами технологій того часу.

«Ми змогли підтвердити це квантове перевагу, але реалізувати квантовий протокол було вкрай складно», говорить Керенидис.

Нова робота являє собою змінену версію сценарію, передбаченого Керенидисом та його колегами. Як завжди, звернемося до двом суб'єктам, Аліси і Боба. У Аліси є набір пронумерованих кульок. Кожен шар випадковим чином забарвлений в червоний або синій колір. Боб хоче знати, чи має конкретна пара куль, вибраних випадковим чином, один і той же колір, або різні. Аліса хоче відправити Бобу найменшу кількість інформації, яке тільки можливо, при цьому гарантуючи, що Боб зможе відповісти на запитання.

Ця проблема називається «проблемою зіставлення зразків». Вона має важливе значення для криптографії та цифрових валют, де користувачі часто хочуть обмінюватися інформацією, не розголошуючи все, що вони знають. Це також чудово демонструє переваги квантових комунікацій.

не Можна просто сказати: я хочу надіслати вам фільм або щось розміром з гігабайт і закодувати його в квантовий стан, очікуючи знайти квантове перевагу, вважає Томас Відік, комп'ютерний вчений з Каліфорнійського технологічного інституту. «Потрібно розглядати більш тонкі завдання».

Для класичного вирішення проблеми співставлення, Аліса повинна відправити Бобу кількість інформації, пропорційна квадратному кореню з числа куль. Але незвичайна природа квантової інформації робить можливим більш ефективне рішення.

В лабораторній схемою, яка використовується в новій роботі, Аліса і Боб спілкуються за допомогою лазерних імпульсів. Кожен імпульс являє собою один шар. Імпульси проходять через светоделитель, який посилає половину кожного імпульсу Аліси і Боба. Коли імпульс доходить до Аліси, вона може змістити фазу лазерного імпульсу для кодування інформації про кожному кулі — в залежності від його кольору, червоного або синього.

Тим часом, Боб кодує інформацію про пари куль, які його цікавлять, в свою половину лазерних імпульсів. Потім імпульси сходяться в іншому светоделителе, де інтерферують між собою. Картина інтерференції, яка створюється імпульсами, що відображає відмінності в тому, як зсувалися фази кожного імпульсу. Боб може прочитати картину інтерференції на найближчому детекторі фотонів.

До моменту, коли Боб «прочитає» лазерне послання Аліси, квантове повідомлення Аліси здатна відповісти на будь-яке питання про будь-якій парі. Але процес прочитання квантового повідомлення знищує його і Боб отримує інформацію лише про одній парі куль.

Це властивість квантової інформації, що її можна прочитати різними способами, але в кінцевому підсумку вона буде прочитана тільки одним — значно скорочує обсяг інформації, яку можна передати для вирішення проблеми співставлення вибірки. Якщо Алісі потрібно відправити Бобу 100 класичних бітів, щоб він зміг відповісти на своє запитання, вона може виконати ту ж задачу приблизно з 10 кубітами, або квантовими бітами.

Саме такий доказ принципу вам необхідно для створення справжньої квантової мережі, вважає Грем Сміт, фізик з JILA в Боулдері, штат Колорадо.

Новий експеримент — однозначний тріумф над класичними методами. Дослідники почали експеримент, точно знаючи, скільки інформації потрібно передати класичним шляхом для вирішення проблеми. Потім вонипереконливо продемонстрували, що квантові засоби дозволяють вирішити її більш компактно.

Цей результат також пропонує альтернативний маршрут для досягнення давньої мети в інформатиці: доказ того, що квантові комп'ютери перевершують класичні.

Як думаєте, коли у нас з'являться настільні квантові комп'ютери? Розкажіть в нашому