Hi-Tech

Новейший эксперимент доказал, что квантовые послания можно передавать гораздо быстрее классических

Новый эксперимент, проведенный в Париже, впервые показал, что квантовое сообщение превосходит классические методы передачи информации. Квантовые компьютеры все еще остаются мечтой, но эпоха квантовых коммуникаций уже наступила.

«Мы первыми продемонстрировали квантовый перевес в передаче информации, которая нужна двум сторонам для выполнения задачи», говори Элени Диаманти, инженер-электрик из Университета Сорбонны и соавтор исследования.

Но прогресс в этой области был крайне медленным. Ожидается, что квантовые машины — которые используют квантовые свойства материи для кодирования информации — произведут революцию в вычислительной технике. Прошлым летом, например, парень из Техаса доказал, что проблема, которая долгое время считалась решаемой только на квантовом компьютере, может быть быстро решена и на классическом. В то время как инженеры работают над созданием элементарных квантовых компьютеров, ученые-теоретики столкнулись с более фундаментальным препятствием: они не смогли доказать, что классические компьютеры никогда не смогут выполнить задачи, для которых предназначены квантовые компьютеры.

Добро пожаловать в квантовый век

Более десяти лет назад ученые доказали, что, по крайней мере, теоретически, квантовая коммуникация превосходит классические способы отправки сообщений для определенных задач. Однако в области коммуникаций (а не вычислений) преимущества квантового подхода можно подтвердить.

Одним из больших плюсов является то, что в случае с коммуникационными задачами преимущества доказуемы». «Люди в основном занимались вычислительными задачами.

Исследователи доказали, что квантовая схема может выполнить задачу, передавая экспоненциально меньше информации, чем классическая система. В 2004 году Иорданис Керенидис, соавтор работы Диаманти, и еще двое ученых представили сценарий, в котором одному человеку нужно было отправить информацию другому, чтобы второй человек мог ответить на конкретный вопрос. Но квантовая схема, которую они представили, была сугубо теоретической — и далеко за пределами технологий того времени.

«Мы смогли подтвердить это квантовое преимущество, но реализовать квантовый протокол было крайне сложно», говорит Керенидис.

Как обычно, обратимся к двум субъектам, Алисе и Бобу. Новая работа представляет собой измененную версию сценария, предусмотренного Керенидисом и его коллегами. Каждый шар случайным образом окрашен в красный или синий цвет. У Алисы есть набор пронумерованных шариков. Алиса хочет отправить Бобу наименьшее количество информации, которое только возможно, при этом гарантируя, что Боб сможет ответить на свой вопрос. Боб хочет знать, имеет ли конкретная пара шаров, выбранных случайным образом, один и тот же цвет, либо разные.

Она имеет важное значение для криптографии и цифровых валют, где пользователи часто хотят обмениваться информацией, не разглашая все, что они знают. Эта проблема называется «проблемой сопоставления образцов». Это также прекрасно демонстрирует преимущества квантовых коммуникаций.

«Нужно рассматривать более тонкие задачи». Нельзя просто сказать: я хочу отправить вам фильм или что-то размером с гигабайт и закодировать его в квантовое состояние, ожидая найти квантовое преимущество, считает Томас Видик, компьютерный ученый из Калифорнийского технологического института.

Но  необычная природа квантовой информации делает возможным более эффективное решение. Для классического решения проблемы сопоставления, Алиса должна отправить Бобу количество информации, пропорциональное квадратному корню из числа шаров.

Каждый импульс представляет собой один шар. В лабораторной схеме, которая используется в новой работе, Алиса и Боб общаются с помощь лазерных импульсов. Когда импульс доходит до Алисы, она может сместить фазу лазерного импульса для кодирования информации о каждом шаре — в зависимости от его цвета, красного или синего. Импульсы проходят через светоделитель, который посылает половину каждого импульса Алисе и Бобу.

Затем импульсы сходятся в другом светоделителе, где интерферируют между собой. Тем временем, Боб кодирует информацию о парах шаров, которые его интересуют, в свою половину лазерных импульсов. Боб может прочитать картину интерференции на ближайшем детекторе фотонов. Картина интерференции, которая создается импульсами, отражает различия в том, как сдвигались фазы каждого импульса.

Но процесс прочтения квантового сообщения уничтожает его и Боб получает информацию только об одной паре шаров. До момента, когда Боб «прочитает» лазерное послание Алисы, квантовое сообщение Алисы способно ответить на любой вопрос о любой паре.

Если Алисе нужно отправить Бобу 100 классических битов, чтобы он смог ответить на свой вопрос, она может выполнить ту же задачу примерно с 10 кубитами, или квантовыми битами. Это свойство квантовой информации — что ее можно прочитать разными способами, но в конечном итоге она будет прочитана только одним — значительно сокращает объем информации, которую можно передать для решения проблемы сопоставления выборки.

Именно такое доказательство принципа вам необходимо для создания настоящей квантовой сети, полагает Грэм Смит, физик из JILA в Боулдере, штат Колорадо.

Исследователи начали эксперимент, точно зная, сколько информации необходимо передать классическим путем для решения проблемы. Новый эксперимент — однозначный триумф над классическими методами. Затем они убедительно продемонстрировали, что квантовые средства позволяют решить ее более компактно.

Этот результат также предлагает альтернативный маршрут для достижения давней цели в информатике: доказательство того, что квантовые компьютеры превосходят классические.

Расскажите в нашем чате в Телеграме. Как думаете, когда у нас появятся настольные квантовые компьютеры?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть