Kvantecomputere er stadig en drøm, men tiden med kvantekommunikation er kommet. Et nyt eksperiment udført i Paris viste for første gang, at kvantekommunikation er bedre end klassiske metoder til transmission af information.
”Vi var de første til at demonstrere en kvantefordel ved at kommunikere de oplysninger, som to parter har brug for for at udføre en opgave,” siger Eleni Diamanti, en elektrisk ingeniør ved Sorbonne Universitet og medforfatter til studiet.
Kvantemaskiner - der bruger stofets kvanteegenskaber til at kode information - forventes at revolutionere computeren. Men fremskridt på dette område har været ekstremt langsomt. Mens ingeniører arbejder på at skabe rudimentære kvantecomputere, har teoretiske videnskabsmænd stået over for en mere grundlæggende hindring: De har ikke kunnet bevise, at klassiske computere aldrig kan udføre de opgaver, som kvantecomputere er designet til. Sidste sommer, for eksempel, viste en fyr fra Texas, at et problem, der i lang tid kun blev betragtet som løsbart på en kvantecomputer, hurtigt kan løses på en klassisk computer.
Velkommen til kvantealderen
På kommunikationsområdet (ikke computing) kan fordelene ved kvantetilgangen imidlertid bekræftes. For mere end et årti siden beviste videnskabsmænd, at i det mindste i teori, kvantekommunikation er bedre end klassiske måder at sende meddelelser til specifikke opgaver.
”Folk var hovedsageligt beskæftiget med computeropgaver. En af de store fordele er, at når det gælder kommunikationsopgaver, er fordelene påviselige."
I 2004 præsenterede Jordanis Kerenidis, medforfatter af Diamantis arbejde, og to andre forskere et scenarie, hvor en person havde brug for at sende information til en anden, så en anden person kunne svare på et specifikt spørgsmål. Forskere har bevist, at et kvantekredsløb kan udføre en opgave ved at overføre eksponentielt mindre information end et klassisk system. Men det kvantekredsløb, de præsenterede, var rent teoretisk - og langt ud over dagens teknologi.
Salgsfremmende video:
”Vi var i stand til at bekræfte denne kvantefordel, men det var ekstremt vanskeligt at implementere kvanteprotokollen,” siger Kerenidis.
Det nye værk er en ændret version af manuskriptet af Kerenidis og hans kolleger. Lad os som sædvanligt vende os til to emner, Alice og Bob. Alice har et sæt nummererede bolde. Hver bold er tilfældigt farvet rød eller blå. Bob vil vide, om et bestemt par bolde, der er valgt tilfældigt, har den samme farve eller er forskellige. Alice vil sende Bob så lidt information som muligt, samtidig med at den sikrer, at Bob kan besvare sit spørgsmål.
Dette problem kaldes et "mønster matching problem". Det er vigtigt for kryptografi og digitale valutaer, hvor brugerne ofte ønsker at udveksle information uden at videregive alt, hvad de ved. Det demonstrerer også perfekt fordelene ved kvantekommunikation.
Du kan ikke bare sige: Jeg vil sende dig en film eller noget på størrelse med en gigabyte og kode den til en kvantetilstand og forvente at finde en kvantefordel, siger Thomas Vidick, en datalogi ved Californien Institut for Teknologi. "Vi er nødt til at overveje mere subtile opgaver."
For den klassiske løsning på matchningsproblemet skal Alice sende Bob en mængde information, der er proportional med kvadratroten af antallet af bolde. Men kvantinformationens usædvanlige karakter gør en mere effektiv løsning mulig.
I det laboratoriekredsløb, der blev brugt i det nye arbejde, kommunikerer Alice og Bob ved hjælp af laserpulser. Hver impuls repræsenterer en bold. Pulserne passerer gennem en strålesplitter, der sender halvdelen af hver puls til Alice og Bob. Når pulsen når Alice, kan hun skifte laserpulsfasen til at kode information om hver bold - afhængigt af dens farve, rød eller blå.
I mellemtiden koder Bob oplysninger om de par kugler, der interesserer ham i hans halvdel af laserimpulser. Derefter konvergerer pulserne i en anden strålesplitter, hvor de forstyrrer hinanden. Det interferensmønster, der produceres af pulserne, afspejler forskelle i, hvordan faserne af hver puls blev forskudt. Bob kan læse interferensmønsteret på den nærmeste fotondetektor.
Indtil det øjeblik, hvor Bob "læser" Alice's laserbesked, er Alice's kvantebesked i stand til at besvare ethvert spørgsmål om ethvert par. Men processen med at læse kvantebeskeden ødelægger den, og Bob modtager information om kun et par bolde.
Denne egenskab med kvanteinformation - at den kan læses på forskellige måder, men i sidste ende kun en vil læse den - reducerer mængden af information, der kan formidles for at løse prøvenes matchingproblem meget. Hvis Alice har brug for at sende 100 klassiske bits til Bob, så han kan besvare sit spørgsmål, kan hun udføre den samme opgave med cirka 10 qubits eller kvantebits.
Dette er det principbevis, du har brug for for at skabe et ægte kvantenetværk, siger Graham Smith, fysiker ved JILA i Boulder, Colorado.
Det nye eksperiment er en klar triumf over klassiske metoder. Forskerne startede eksperimentet med at vide nøjagtigt, hvor meget information, der skulle transmitteres på den klassiske måde for at løse problemet. Derefter demonstrerede de overbevisende, at kvanteværktøjer kan løse det på en mere kompakt måde.
Dette resultat tilbyder også en alternativ rute til et mangeårigt mål inden for datalogi: at bevise, at kvantecomputere er bedre end klassiske computere.
Ilya Khel