Kvantedatamaskiner er fremdeles en drøm, men tiden for kvantekommunikasjon er kommet. Et nytt eksperiment, utført i Paris, viste for første gang at kvantekommunikasjon er overlegen klassiske metoder for overføring av informasjon.
"Vi var de første som demonstrerte en kvantefordel ved å formidle informasjonen som to parter trenger for å fullføre en oppgave," sier Eleni Diamanti, elektrotekniker ved Sorbonne University og medforfatter av studien.
Kvantemaskiner - som bruker stoffets kvanteegenskaper for å kode informasjon - forventes å revolusjonere databehandlingen. Men fremgangen på dette området har vært ekstremt langsom. Mens ingeniører jobber med å lage rudimentære kvantedatamaskiner, har teoretiske forskere møtt et mer grunnleggende hinder: De har ikke klart å bevise at klassiske datamaskiner aldri kan fullføre oppgavene som kvantedatamaskiner er designet for. I fjor sommer beviste for eksempel en fyr fra Texas at et problem som i lang tid ble ansett som løsbart bare på en kvantecomputer, raskt kan løses på en klassisk datamaskin.
Velkommen til kvantealderen
På kommunikasjonsområdet (ikke databehandling) kan imidlertid fordelene ved kvantetilnærmingen bekreftes. For mer enn ti år siden beviste forskere at i hvert fall i teorien er kvantekommunikasjon overlegen klassiske måter å sende meldinger til spesifikke oppgaver.
”Folk var hovedsakelig engasjert i dataoppgaver. En av de store fordelene er at når det gjelder kommunikasjonsoppgaver, er fordelene påviselige."
I 2004 presenterte Jordanis Kerenidis, medforfatter av Diamantis arbeid, og to andre forskere et scenario der en person trengte å sende informasjon til en annen slik at en annen person kunne svare på et spesifikt spørsmål. Forskere har bevist at en kvantekrets kan utføre en oppgave ved å overføre eksponentielt mindre informasjon enn et klassisk system. Men kvantekretsen de presenterte var rent teoretisk - og langt utenfor dagens teknologi.
Salgsfremmende video:
"Vi var i stand til å bekrefte denne kvantefordelen, men det var ekstremt vanskelig å implementere kvanteprotokollen," sier Kerenidis.
Det nye verket er en modifisert versjon av manuset som Kerenidis og hans kolleger ser for seg. La oss som vanlig vende oss til to fag, Alice og Bob. Alice har et sett med nummererte baller. Hver ball er tilfeldig farget rød eller blå. Bob vil vite om et bestemt par baller, valgt tilfeldig, har samme farge eller er forskjellige. Alice ønsker å sende Bob så lite informasjon som mulig, og samtidig sørge for at Bob kan svare på spørsmålet sitt.
Dette problemet blir referert til som et "mønster matching matching". Det er viktig for kryptografi og digitale valutaer, der brukere ofte ønsker å utveksle informasjon uten å røpe alt de vet. Det demonstrerer også perfekt fordelene med kvantekommunikasjon.
Du kan ikke bare si: Jeg vil sende deg en film eller noe på størrelse med en gigabyte og kode den til en kvantetilstand, og forventer å finne en kvantefordel, sier Thomas Vidick, informatiker ved California Institute of Technology. "Vi må vurdere mer subtile oppgaver."
For den klassiske løsningen på samsvarende problem, må Alice sende Bob en mengde informasjon proporsjonal med kvadratroten til antall baller. Men kvanteinformasjonens uvanlige natur gjør en mer effektiv løsning mulig.
I laboratoriekretsen som ble brukt i det nye arbeidet, kommuniserer Alice og Bob ved hjelp av laserpulser. Hver impuls representerer en ball. Pulsene går gjennom en strålesplitter, som sender halvparten av hver puls til Alice og Bob. Når pulsen når Alice, kan hun skifte laserpulsfasen for å kode informasjon om hver ball - avhengig av farge, rød eller blå.
I mellomtiden koder Bob informasjon om parene av baller som interesserer ham i halvparten av laserpulsene. Så konvertrerer pulsen i en annen strålesplitter, der de forstyrrer hverandre. Interferensmønsteret produsert av pulsen reflekterer forskjeller i hvordan fasene til hver puls ble forskjøvet. Bob kan lese interferensmønsteret på nærmeste fotondetektor.
Inntil det øyeblikket hvor Bob "leser" Alice's lasermelding, er Alice kvantemelding i stand til å svare på ethvert spørsmål om ethvert par. Men prosessen med å lese kvantemeldingen ødelegger den, og Bob får informasjon om bare ett par baller.
Denne egenskapen med kvanteinformasjon - at den kan leses på forskjellige måter, men til syvende og sist bare en vil lese den - reduserer mengden informasjon som kan formidles, for å løse prøvenes samsvarende problem. Hvis Alice trenger å sende 100 klassiske biter til Bob, slik at han kan svare på spørsmålet sitt, kan hun gjøre den samme oppgaven med omtrent 10 kvbiter, eller kvantebiter.
Dette er det prinsippbeviset du trenger for å skape et ekte kvantenettverk, sier Graham Smith, fysiker ved JILA i Boulder, Colorado.
Det nye eksperimentet er en klar triumf over klassiske metoder. Forskerne startet eksperimentet med å vite nøyaktig hvor mye informasjon som måtte overføres på den klassiske måten for å løse problemet. Da demonstrerte de overbevisende at kvanteverktøy kan løse det på en mer kompakt måte.
Dette resultatet tilbyr også en alternativ rute til et mangeårig mål innen informatikk: å bevise at kvantecomputere er overlegne klassiske datamaskiner.
Ilya Khel
