Kvantové počítače jsou stále snem, ale nastala doba kvantové komunikace. Nový experiment provedený v Paříži poprvé ukázal, že kvantová komunikace je nadřazena klasickým metodám přenosu informací.
"Byli jsme první, kdo prokázal kvantovou převahu v přenosu informací, které dvě strany potřebují k dokončení úkolu," říká Eleni Diamanti, elektrotechnik na Sorbonnské univerzitě a spoluautor studie.
Očekává se, že kvantové stroje - které využívají kvantové vlastnosti hmoty pro kódování informací - způsobí revoluci v práci na počítačích. Pokrok v této oblasti však byl extrémně pomalý. Zatímco inženýři pracují na vytváření základních kvantových počítačů, teoretičtí vědci čelili zásadnější překážce: nedokázali prokázat, že klasické počítače nemohou nikdy dokončit úkoly, pro které jsou kvantové počítače navrženy. Například loni v létě chlap z Texasu dokázal, že problém, který byl po dlouhou dobu považován za řešitelný pouze na kvantovém počítači, může být rychle vyřešen na klasickém počítači.
Vítejte v kvantovém věku
V oblasti komunikace (nikoli výpočetní techniky) však lze výhody kvantového přístupu potvrdit. Před více než deseti lety vědci dokázali, že alespoň teoreticky je kvantová komunikace lepší než klasické způsoby odesílání zpráv pro konkrétní úkoly.
"Lidé se zabývali hlavně výpočtovými úkoly." Jednou z velkých výhod je to, že v případě komunikačních úkolů jsou výhody prokazatelné. “
V roce 2004 Jordanis Kerenidis, spoluautor díla Diamantiho a dva další vědci představili scénář, ve kterém jedna osoba potřebovala poslat informace druhé, aby druhá osoba mohla odpovědět na konkrétní otázku. Vědci prokázali, že kvantový obvod dokáže splnit úkol přenosem exponenciálně méně informací než klasický systém. Kvantový obvod, který představili, byl však čistě teoretický - a daleko za technologií dne.
Propagační video:
"Tuto kvantovou výhodu jsme dokázali potvrdit, ale bylo nesmírně obtížné implementovat kvantový protokol," říká Kerenidis.
Nová práce je upravenou verzí skriptu, který si představil Kerenidis a jeho kolegové. Jako obvykle se podívejme na dva předměty, Alice a Bob. Alice má sadu očíslovaných koulí. Každá koule je náhodně zbarvená červená nebo modrá. Bob chce vědět, zda určitý pár koulí, náhodně vybraných, má stejnou barvu nebo se liší. Alice chce poslat Bobovi co nejméně informací, přičemž zajistí, aby Bob mohl odpovědět na jeho otázku.
Tento problém se označuje jako „problém s přizpůsobením vzoru“. Je to nezbytné pro kryptografii a digitální měny, kde si uživatelé často chtějí vyměňovat informace, aniž by prozradili vše, co vědí. Rovněž dokonale demonstruje výhody kvantové komunikace.
Nemůžete jen říct: Chci vám poslat film nebo něco o velikosti gigabajtu a zakódovat ho do kvantového stavu, očekávat, že najde kvantovou výhodu, říká Thomas Vidick, počítačový vědec v Kalifornském technologickém institutu. "Musíme zvážit jemnější úkoly."
Pro klasické řešení problému se shodou musí Alice poslat Bobovi množství informací úměrných druhé odmocnině počtu míčků. Neobvyklá povaha kvantové informace však umožňuje efektivnější řešení.
V laboratorním obvodu používaném v nové práci Alice a Bob komunikují pomocí laserových pulzů. Každý impuls představuje jednu kouli. Impulzy prochází rozbočovačem paprsků, který pošle polovinu každého impulsu Alice a Bobovi. Když puls dosáhne Alice, může posunout fázi laserového pulzu, aby zakódovala informace o každé kouli - v závislosti na její barvě, červené nebo modré.
Mezitím Bob zakóduje informace o dvojicích koulí, které ho zajímají do jeho poloviny laserových pulzů. Pak se impulsy sbíhají do dalšího děliče paprsků, kde se vzájemně ovlivňují. Interferenční obrazec produkovaný pulzy odráží rozdíly ve způsobu, jakým byly fáze každého pulsu posunuty. Bob umí číst interferenční obrazec na nejbližším fotonovém detektoru.
Až do okamžiku, kdy Bob „přečte“Alice laserovou zprávu, Alice dokáže kvantovou zprávu odpovědět na jakoukoli otázku týkající se jakéhokoli páru. Proces čtení kvantové zprávy ji však zničí a Bob obdrží informace o pouze jednom páru koulí.
Tato vlastnost kvantové informace - že ji lze číst různými způsoby, ale nakonec ji bude číst pouze jeden - výrazně snižuje množství informací, které mohou být předány k vyřešení problému přiřazování vzorků. Pokud Alice potřebuje poslat Bobovi 100 klasických bitů, aby mohl odpovědět na jeho otázku, může udělat stejný úkol s přibližně 10 qubity nebo kvantovými bity.
Toto je důkaz principu, který potřebujete k vytvoření skutečné kvantové sítě, říká Graham Smith, fyzik z JILA v Boulderu v Coloradu.
Nový experiment je jasným triumfem nad klasickými metodami. Výzkumníci začali experiment přesně vědět, kolik informací je třeba předat klasickým způsobem k vyřešení problému. Pak přesvědčivě demonstrovali, že kvantové nástroje to mohou vyřešit kompaktnějším způsobem.
Tento výsledek také nabízí alternativní cestu k dlouhodobému cíli v počítačové vědě: dokazuje, že kvantové počítače jsou lepší než klasické počítače.
Ilya Khel