Квантовите компютри все още са мечта, но ерата на квантовите комуникации настъпи. Нов експеримент, проведен в Париж, показа за първи път, че квантовата комуникация превъзхожда класическите методи за предаване на информация.
„Ние бяхме първите, които демонстрираха квантово превъзходство при предаването на информация, която две страни трябва да изпълнят дадена задача“, казва Елени Диаманти, инженер по електротехника в университета в Сорбона и съавтор на проучването.
Очаква се квантовите машини - които използват квантовите свойства на материята за кодиране на информация - да революционизират изчисленията. Но напредъкът в тази област е изключително бавен. Докато инженерите работят за създаването на рудиментарни квантови компютри, теоретичните учени са изправени пред по-фундаментално препятствие: те не успяха да докажат, че класическите компютри никога не могат да изпълнят задачите, за които са създадени квантовите компютри. Миналото лято например човек от Тексас доказа, че проблем, който дълго време се смята за разрешим само на квантов компютър, може бързо да бъде решен на класически компютър.
Добре дошли в квантовата епоха
В областта на комуникациите (а не на компютърните) ползите от квантовия подход могат да бъдат потвърдени. Преди повече от десетилетие учените доказаха, че поне на теория квантовата комуникация превъзхожда класическите начини за изпращане на съобщения за конкретни задачи.
„Хората се занимаваха основно с изчислителни задачи. Едно от големите предимства е, че при комуникационните задачи ползите са демонстрируеми."
През 2004 г. Джорданис Керенидис, съавтор на работата на Диаманти и двама учени представи сценарий, при който един човек трябва да изпрати информация до друг, така че втори човек да може да отговори на конкретен въпрос. Изследователите са доказали, че квантовата верига може да изпълни задача, като прехвърля експоненциално по-малко информация от класическата система. Но квантовата верига, която представиха, беше чисто теоретична - и далеч надхвърляше технологията на деня.
Промоционално видео:
„Успяхме да потвърдим това квантово предимство, но беше изключително трудно да приложим квантовия протокол“, казва Керенидис.
Новото произведение е модифицирана версия на сценария, предвиден от Керенидис и неговите колеги. Както обикновено, нека се обърнем към две теми, Алис и Боб. Алиса има набор от номерирани топки. Всяка топка е произволно оцветена в червено или синьо. Боб иска да знае дали определена двойка топки, избрани на случаен принцип, имат същия цвят или са различни. Алиса иска да изпрати на Боб възможно най-малко информация, като същевременно гарантира, че Боб може да отговори на въпроса му.
Този проблем се обозначава като "проблем на съвпадение на модел". Той е от съществено значение за криптографията и цифровите валути, където потребителите често искат да обменят информация, без да разгласяват всичко, което знаят. Освен това отлично демонстрира предимствата на квантовата комуникация.
Не можете просто да кажете: Искам да ви изпратя филм или нещо с размер на гигабайт и да го кодирам в квантово състояние, очаквайки да намеря квантово предимство, казва Томас Видик, компютърист от Калифорнийския технологичен институт. „Трябва да обмислим по-фините задачи.“
За класическото решение на проблема за съвпадение, Алис трябва да изпрати на Боб количество информация, пропорционална на квадратния корен на броя на топките. Но необичайният характер на квантовата информация прави възможно по-ефективно решение.
В лабораторната схема, използвана в новата работа, Алис и Боб общуват с помощта на лазерни импулси. Всеки импулс представлява една топка. Импулсите преминават през разделител на лъча, който изпраща половината от всеки импулс към Алис и Боб. Когато пулсът достигне Алиса, тя може да измести фазата на лазерния импулс, за да кодира информация за всяка топка - в зависимост от нейния цвят, червено или синьо.
Междувременно Боб кодира информация за двойките топки, които го интересуват в половината му от лазерните импулси. Тогава импулсите се сближават в друг разделител на лъча, където се намесват взаимно. Интерференционният модел, произведен от импулсите, отразява разликите в начина на изместване на фазите на всеки импулс. Боб може да прочете модела на смущения в най-близкия фотонен детектор.
До момента, в който Боб "чете" лазерното съобщение на Алиса, квантовото съобщение на Алиса е в състояние да отговори на всеки въпрос за която и да е двойка. Но процесът на четене на квантовото съобщение го унищожава и Боб получава информация само за една двойка топки.
Това свойство на квантовата информация - че тя може да бъде прочетена по различни начини, но в крайна сметка само един ще я прочете - значително намалява количеството информация, което може да бъде предадено, за да се реши проблемът за съответствие на извадката. Ако Алиса трябва да изпрати 100 класически бита на Боб, така че той да може да отговори на въпроса му, тя може да направи същата задача с около 10 кубита или квантови бита.
Това е доказателството за принципа, от който се нуждаете, за да създадете истинска квантова мрежа, казва Греъм Смит, физик от JILA в Боулдър, Колорадо.
Новият експеримент е ясен триумф над класическите методи. Изследователите са започнали експеримента, като са знаели точно колко информация трябва да бъде предадена по класическия начин, за да се реши проблема. Тогава те убедително демонстрираха, че квантовите инструменти могат да го разрешат по-компактен начин.
Този резултат също предлага алтернативен път към една дългогодишна цел в компютърните науки: доказване, че квантовите компютри са по-добри от класическите компютри.
Иля Кел