Ανακάλυψη κβαντικής επικοινωνίας:Νέο πείραμα επιδεικνύει πλεονέκτημα ταχύτητας

Σε ένα εργαστήριο του Παρισιού, οι ερευνητές έδειξαν για πρώτη φορά ότι οι κβαντικές μέθοδοι μετάδοσης πληροφοριών είναι ανώτερες από τις κλασσικές.

Εισαγωγή

Οι κβαντικοί υπολογιστές εξακολουθούν να είναι ένα όνειρο, αλλά η εποχή της κβαντικής επικοινωνίας είναι εδώ. Ένα νέο πείραμα από το Παρίσι έδειξε, για πρώτη φορά, ότι η κβαντική επικοινωνία είναι ανώτερη από τους κλασικούς τρόπους μετάδοσης πληροφοριών.

«Είμαστε οι πρώτοι που δείξαμε ένα κβαντικό πλεονέκτημα για τις μεταδιδόμενες πληροφορίες που πρέπει να μοιραστούν δύο μέρη για να εκτελέσουν μια χρήσιμη εργασία», δήλωσε η Ελένη Διαμαντή, ηλεκτρολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης και συν-συγγραφέας του αποτελέσματος μαζί με τον Ιορδάνη Κερενίδη, επιστήμονα υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Paris Diderot και τον Niraj Kumar.

Οι κβαντικές μηχανές - οι οποίες εκμεταλλεύονται τις κβαντικές ιδιότητες της ύλης για να κωδικοποιήσουν πληροφορίες - αναμένεται ευρέως να φέρουν επανάσταση στους υπολογιστές. Αλλά η πρόοδος ήταν αργή. Ενώ οι μηχανικοί εργάζονται για την κατασκευή στοιχειωδών κβαντικών υπολογιστών, οι θεωρητικοί επιστήμονες υπολογιστών αντιμετώπισαν ένα πιο θεμελιώδες εμπόδιο:Δεν μπόρεσαν να αποδείξουν ότι οι κλασσικοί υπολογιστές δεν θα μπορέσουν ποτέ να εκτελέσουν τις εργασίες για τις οποίες έχουν σχεδιαστεί οι κβαντικοί υπολογιστές. Το περασμένο καλοκαίρι, για παράδειγμα, ένας έφηβος από το Τέξας απέδειξε ότι ένα πρόβλημα που εδώ και καιρό θεωρούνταν ότι μπορεί να επιλυθεί γρήγορα μόνο σε έναν κβαντικό υπολογιστή μπορεί να γίνει γρήγορα και σε έναν κλασικό υπολογιστή.

Ωστόσο, στον τομέα της επικοινωνίας (και όχι στον υπολογισμό), τα οφέλη μιας κβαντικής προσέγγισης είναι πιστοποιήσιμα. Πριν από περισσότερο από μια δεκαετία, επιστήμονες υπολογιστών απέδειξαν ότι, τουλάχιστον θεωρητικά, η κβαντική επικοινωνία ξεπερνά τους κλασικούς τρόπους αποστολής μηνυμάτων για ορισμένες εργασίες.

"Οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν εξετάσει υπολογιστικές εργασίες. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι με τις εργασίες επικοινωνίας, τα πλεονεκτήματα είναι αποδεδειγμένα", είπε ο Κερενίδης.

Το 2004, ο Κερενίδης και δύο άλλοι επιστήμονες υπολογιστών φαντάστηκαν ένα σενάριο στο οποίο ένα άτομο έπρεπε να στείλει πληροφορίες σε ένα άλλο ώστε το δεύτερο άτομο να απαντήσει σε μια συγκεκριμένη ερώτηση. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι μια κβαντική ρύθμιση θα μπορούσε να ολοκληρώσει το έργο μεταδίδοντας εκθετικά λιγότερες πληροφορίες από ένα κλασικό σύστημα. Αλλά η κβαντική ρύθμιση που φαντάζονταν ήταν καθαρά θεωρητική — και πολύ πέρα από την τεχνολογία της εποχής.

«Μπορούσαμε να αποδείξουμε αυτό το κβαντικό πλεονέκτημα, αλλά ήταν δύσκολο να εφαρμοστεί πραγματικά το κβαντικό πρωτόκολλο», είπε ο Κερενίδης.

Η νέα εργασία υλοποιεί μια τροποποιημένη εκδοχή του σεναρίου που οραματίστηκαν ο Κερενίδης και οι συνεργάτες του. Η ερώτηση που εξετάζεται στο έγγραφο αφορά δύο χρήστες, την Alice και τον Bob. Η Αλίκη έχει ένα σύνολο από αριθμημένες μπάλες. Κάθε μπάλα χρωματίζεται τυχαία κόκκινο ή μπλε. Ο Μπομπ θέλει να μάθει εάν ένα συγκεκριμένο ζευγάρι μπάλες, που επιλέγονται τυχαία, έχει το ίδιο χρώμα ή διαφορετικά χρώματα. Η Αλίκη θέλει να στείλει στον Μπομπ τη μικρότερη ποσότητα πληροφοριών που μπορεί, ενώ εξακολουθεί να διασφαλίζει ότι ο Μπομπ μπορεί να απαντήσει στην ερώτησή του.

Αυτό το πρόβλημα ονομάζεται "πρόβλημα αντιστοίχισης δειγματοληψίας". Έχει συνέπειες για την κρυπτογραφία και το ψηφιακό νόμισμα, όπου οι χρήστες συχνά θέλουν να ανταλλάξουν πληροφορίες χωρίς απαραίτητα να αποκαλύπτουν όλα όσα γνωρίζουν. Είναι επίσης κατάλληλο για την επίδειξη ενός πλεονεκτήματος κβαντικής επικοινωνίας.

«Δεν μπορείς να πεις απλώς, «θέλω να σου στείλω μια ταινία ή κάτι που είναι ένα gigabyte και να το κωδικοποιήσω σε κβαντική κατάσταση» και να περιμένεις να βρεις ένα κβαντικό πλεονέκτημα, είπε ο Thomas Vidick, επιστήμονας υπολογιστών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. "Πρέπει να εξετάζετε τις εργασίες που είναι πιο λεπτές."

Για να λύσει κλασικά το πρόβλημα αντιστοίχισης, η Αλίκη πρέπει να στείλει στον Μπομπ μια ποσότητα πληροφοριών ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα του αριθμού των σφαιρών. Αλλά η ανορθόδοξη φύση των κβαντικών πληροφοριών καθιστά δυνατή μια πιο αποτελεσματική λύση.

Περιοδικό Lucy Reading-Ikkanda/Quanta

Στην εργαστηριακή ρύθμιση που χρησιμοποιείται στο νέο έργο, η Alice και ο Bob επικοινωνούν μέσω παλμών λέιζερ. Κάθε παλμός αντιπροσωπεύει μια ενιαία μπάλα. Οι παλμοί περνούν μέσω ενός διαχωριστή δέσμης, ο οποίος στέλνει το μισό από κάθε παλμό προς την Αλίκη και το μισό προς τον Μπομπ. Καθώς ένας παλμός περνά από την Αλίκη, μπορεί να μετατοπίσει κάτι που ονομάζεται φάση του παλμού λέιζερ για να κωδικοποιήσει πληροφορίες για κάθε μπάλα — είτε είναι κόκκινη είτε μπλε.

Εν τω μεταξύ, ο Μπομπ κωδικοποιεί πληροφορίες για τα ζεύγη μπάλες που τον ενδιαφέρει στους μισούς παλμούς του λέιζερ. Οι παλμοί στη συνέχεια συγκλίνουν σε έναν άλλο διαχωριστή δέσμης, όπου παρεμβάλλονται μεταξύ τους. Ο τρόπος με τον οποίο τα δύο σετ παλμών παρεμβάλλονται μεταξύ τους αντανακλά διαφορές στον τρόπο με τον οποίο έχει μετατοπιστεί η φάση κάθε παλμού. Ο Bob μπορεί να διαβάσει το μοτίβο παρεμβολής σε κοντινούς ανιχνευτές φωτονίων.

Μέχρι τη στιγμή που ο Μπομπ «διαβάζει» το μήνυμα λέιζερ της Αλίκης, το κβαντικό μήνυμα της Αλίκης είναι ικανό να απαντήσει σε οποιαδήποτε ερώτηση σχετικά με οποιοδήποτε ζεύγος. Αλλά κατά την ανάγνωση του κβαντικού μηνύματος, το καταστρέφει, δίνοντας πληροφορίες για ένα μόνο ζευγάρι μπάλες.

Αυτό το χαρακτηριστικό της κβαντικής πληροφορίας - ότι έχει τη δυνατότητα να διαβαστεί με πολλούς τρόπους, αλλά τελικά μπορεί να διαβαστεί μόνο με έναν τρόπο - μειώνει δραματικά τον όγκο των πληροφοριών που πρέπει να μεταδοθούν για να λυθεί το πρόβλημα αντιστοίχισης δειγματοληψίας. Εάν η Alice χρειάζεται να στείλει στον Bob 100 κλασικά bit για να διασφαλίσει ότι μπορεί να απαντήσει στην ερώτησή του, μπορεί να επιτύχει τον ίδιο στόχο σε περίπου 10 qubits ή κβαντικά bit.

"Είναι ένα είδος απόδειξης αρχής που πρέπει να κάνετε εάν πρόκειται να δημιουργήσετε ένα πραγματικό κβαντικό δίκτυο", δήλωσε ο Graeme Smith, ένας φυσικός στο JILA στο Boulder του Κολοράντο, ο οποίος εργάζεται στην κβαντική τεχνολογία.

Το νέο πείραμα είναι ένας απαράμιλλος θρίαμβος έναντι των κλασικών μεθόδων. Οι ερευνητές μπήκαν στο πείραμα γνωρίζοντας ακριβώς πόσες πληροφορίες έπρεπε να μεταδοθούν κλασικά για να λυθεί το πρόβλημα. Στη συνέχεια απέδειξαν αδιαμφισβήτητα ότι θα μπορούσε να λυθεί με πολύ πιο λιτό τρόπο με κβαντικά μέσα. "Είναι ωραίο σε αυτό το έγγραφο να βλέπεις ανθρώπους να κάνουν πραγματικά καλή προσπάθεια για να βεβαιωθούν ότι το πράγμα που κάνουν είναι δύσκολο κλασικά και μετά να κάνουν το δύσκολο πράγμα" χρησιμοποιώντας κβαντικές μεθόδους, είπε ο Smith.

Το αποτέλεσμα προτείνει επίσης μια εναλλακτική διαδρομή για την επίτευξη ενός μακροχρόνιου στόχου στην επιστήμη των υπολογιστών:την απόδειξη ότι οι κβαντικοί υπολογιστές κυριαρχούν έναντι των κλασικών. Αυτή η κβαντική «υπεροχή» ήταν δύσκολο να εδραιωθεί στον καθαρά υπολογιστικό τομέα, αλλά πολλά σημαντικά προβλήματα εξαρτώνται από κάτι περισσότερο από τον απλό υπολογισμό.

"Ο συνδυασμός του τι μπορούμε να κάνουμε με την υπολογιστική και την επικοινωνιακή ισχύ, συνδυάζοντας αυτά τα δύο πράγματα μαζί, θα ήταν ευκολότερο να αποδειχθεί ένα κβαντικό πλεονέκτημα", είπε ο Κερενίδης.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es.