Calculatoarele cuantice sunt încă un vis, dar era comunicării cuantice a ajuns. Un nou experiment, realizat la Paris, a arătat pentru prima dată că comunicarea cuantică este superioară metodelor clasice de transmitere a informațiilor.
„Am fost primii care au demonstrat un avantaj cuantic în comunicarea informațiilor de care două părți trebuie să finalizeze o sarcină”, spune Eleni Diamanti, inginer electric la Universitatea Sorbona și coautor al studiului.
Mașinile cuantice - care utilizează proprietățile cuantice ale materiei pentru a codifica informațiile - trebuie să revoluționeze calcularea. Dar progresele în acest domeniu au fost extrem de lente. În timp ce inginerii lucrează la crearea calculatoarelor cuantice rudimentare, oamenii de știință teoretici s-au confruntat cu un obstacol mai fundamental: nu au reușit să demonstreze că computerele clasice nu pot finaliza niciodată sarcinile pentru care sunt concepute computerele cuantice. Vara trecută, de exemplu, un tip din Texas a dovedit că o problemă care de multă vreme era considerată rezolvabilă doar pe un computer cuantic poate fi rezolvată rapid pe un computer clasic.
Bine ați venit la vârsta cuantică
Cu toate acestea, în domeniul comunicațiilor (nu al calculului), beneficiile abordării cuantice pot fi confirmate. Cu mai mult de un deceniu în urmă, oamenii de știință au dovedit că, cel puțin în teorie, comunicarea cuantică este superioară modurilor clasice de a trimite mesaje pentru sarcini specifice.
„Oamenii erau angajați în principal în sarcini de calcul. Unul dintre avantajele mari este că, în cazul sarcinilor de comunicare, beneficiile sunt demonstrabile."
În 2004, Jordanis Kerenidis, coautor al lucrării lui Diamanti și alți doi oameni de știință au prezentat un scenariu în care o persoană trebuie să trimită informații către alta, astfel încât o a doua persoană să poată răspunde la o întrebare specifică. Cercetătorii au dovedit că un circuit cuantic poate îndeplini o sarcină prin transferul de informații exponențial mai puțin decât un sistem clasic. Dar circuitul cuantic pe care l-au prezentat a fost pur teoretic - și mult dincolo de tehnologia zilei.
Video promotional:
„Am reușit să confirmăm acest avantaj cuantic, dar a fost extrem de dificil să punem în aplicare protocolul cuantic”, spune Kerenidis.
Noua lucrare este o versiune modificată a scenariului prevăzută de Kerenidis și colegii săi. Ca de obicei, să ne întoarcem la două subiecte, Alice și Bob. Alice are un set de bile numerotate. Fiecare minge este colorată la întâmplare roșu sau albastru. Bob vrea să știe dacă o anumită pereche de bile, alese la întâmplare, au aceeași culoare sau sunt diferite. Alice vrea să îi trimită lui Bob cât mai puține informații, asigurând în același timp că Bob îi poate răspunde la întrebare.
Această problemă este denumită "problemă de potrivire a modelului". Este esențial pentru criptografie și valute digitale, unde utilizatorii doresc adesea să facă schimb de informații fără a divulga tot ceea ce știu. De asemenea, demonstrează perfect beneficiile comunicării cuantice.
Nu puteți spune doar: Vreau să vă trimit un film sau ceva de dimensiunea unui gigabyte și să-l codificați într-o stare cuantică, așteptând să găsească un avantaj cuantic, spune Thomas Vidick, un om de informatică din California Institute of Technology. „Trebuie să luăm în considerare sarcini mai subtile”.
Pentru soluția clasică a problemei de potrivire, Alice trebuie să-i trimită lui Bob o cantitate de informații proporționale cu rădăcina pătrată a numărului de bile. Dar natura neobișnuită a informațiilor cuantice face posibilă o soluție mai eficientă.
În circuitul de laborator folosit în noua lucrare, Alice și Bob comunică cu impulsuri laser. Fiecare impuls reprezintă o bilă. Impulsurile trec printr-un divizor de fascicul, care trimite jumătate din fiecare impuls către Alice și Bob. Când pulsul ajunge la Alice, ea poate schimba faza pulsului laser pentru a codifica informații despre fiecare bilă - în funcție de culoarea sa, roșu sau albastru.
Între timp, Bob codează informații despre perechile de bile care îl interesează în jumătatea lui de impulsuri laser. Apoi impulsurile converg într-un alt divizor de fascicul, unde se amestecă între ele. Modelul de interferență produs de impulsuri reflectă diferențele în modul în care fazele fiecărui impuls au fost schimbate. Bob poate citi modelul de interferență pe cel mai apropiat detector de fotoni.
Până în momentul în care Bob „citește” mesajul laser al lui Alice, mesajul cuantic al lui Alice este capabil să răspundă la orice întrebare despre orice pereche. Dar procesul de citire a unui mesaj cuantic îl distruge și Bob primește informații despre doar o pereche de bile.
Această proprietate a informațiilor cuantice - că poate fi citită în mai multe moduri diferite, dar în cele din urmă doar una o va citi - reduce foarte mult cantitatea de informații care pot fi transmise pentru a rezolva problema de potrivire a eșantionului. Dacă Alice are nevoie să-i trimită 100 de biți clasici lui Bob pentru ca acesta să răspundă la întrebarea sa, ea poate face aceeași sarcină cu aproximativ 10 biți sau cu biți cuantici.
Aceasta este dovada principiului de care aveți nevoie pentru a crea o adevărată rețea cuantică, spune Graham Smith, fizician la JILA din Boulder, Colorado.
Noul experiment reprezintă un triumf clar asupra metodelor clasice. Cercetătorii au început experimentul știind exact cât de multe informații trebuie transmise în mod clasic pentru a rezolva o problemă. Apoi au demonstrat în mod convingător că instrumentele cuantice o pot rezolva într-un mod mai compact.
Acest rezultat sugerează, de asemenea, o rută alternativă către un obiectiv de lungă durată în informatică: dovedirea că calculatoarele cuantice sunt superioare computerelor clasice.
Ilya Khel
