Kvantni računalniki so še vedno sanje, vendar je prišla doba kvantnih komunikacij. Nov eksperiment, ki so ga izvedli v Parizu, je prvič pokazal, da je kvantna komunikacija superiorna klasičnim načinom prenosa informacij.
"Prvi smo pokazali kvantno premoč pri prenosu informacij, ki jih za izpolnitev naloge potrebujeta dve strani," pravi Eleni Diamanti, inženirka elektrotehnike na univerzi Sorbonne in soavtorica študije.
Pričakuje se, da bodo kvantni stroji - ki za kodiranje informacij uporabljajo kvantne lastnosti snovi - revolucionarno izračunali. Toda napredek na tem področju je bil izredno počasen. Medtem ko inženirji delajo pri ustvarjanju rudimentarnih kvantnih računalnikov, se teoretični znanstveniki soočajo s temeljnejšo oviro: niso dokazali, da klasični računalniki nikoli ne morejo opraviti nalog, za katere so zasnovani kvantni računalniki. Lani poleti je na primer fant iz Teksasa dokazal, da je težavo, ki je dolgo časa veljala za rešljivo samo na kvantnem računalniku, mogoče hitro rešiti na klasičnem računalniku.
Dobrodošli v kvantni dobi
Na področju komunikacij (ne računalništva) pa je mogoče potrditi prednosti kvantnega pristopa. Znanstveniki so že pred več kot desetletjem dokazali, da je vsaj v teoriji kvantna komunikacija superiorna klasičnim načinom pošiljanja sporočil za določene naloge.
»Ljudje so se ukvarjali predvsem z računalniškimi nalogami. Ena večjih prednosti je, da so pri komunikacijskih nalogah prednosti vidne."
Leta 2004 je Jordanis Kerenidis, soavtor Diamantijevega dela, in dva druga znanstvenika predstavila scenarij, v katerem je ena oseba morala poslati informacije drugi, da bi druga oseba lahko odgovorila na določeno vprašanje. Raziskovalci so dokazali, da lahko kvantno vezje opravi nalogo s prenosom eksponencialno manj informacij kot klasični sistem. Toda kvantni sklop, ki so ga predstavili, je bil povsem teoretičen - in daleč presega današnjo tehnologijo.
Promocijski video:
"To kvantno prednost smo lahko potrdili, vendar je bilo izredno težko implementirati kvantni protokol," pravi Kerenidis.
Novo delo je spremenjena različica scenarija, ki sta ga zamislila Kerenidis in njegovi sodelavci. Kot ponavadi se vrnimo k dvema temama, Alice in Bobu. Alice ima nabor oštevilčenih kroglic. Vsaka kroglica je naključno obarvana rdeče ali modro. Bob želi vedeti, ali ima določen par žogic, izbranih naključno, iste barve ali so različne. Alice želi Bobu poslati čim manj informacij in hkrati zagotoviti, da bo Bob lahko odgovoril na njegovo vprašanje.
Ta težava se imenuje "težava z vzorcem". Ključnega pomena je za kriptografijo in digitalne valute, kjer uporabniki pogosto želijo izmenjati informacije, ne da bi razkrili vse, kar vedo. Prav tako odlično prikazuje prednosti kvantne komunikacije.
Ne morete kar reči: želim vam poslati film ali nekaj podobnega gigabajta in ga kodirati v kvantno stanje in pričakujem, da bom našel kvantno prednost, pravi Thomas Vidick, računalničar na kalifornijskem tehnološkem inštitutu. "Upoštevati moramo bolj subtilne naloge."
Za klasično rešitev problema ujemanja mora Alice Bobu poslati količino informacij, sorazmerno s kvadratnim korenom števila kroglic. Toda nenavadnost kvantnih informacij omogoča učinkovitejšo rešitev.
V laboratorijskem krogu, ki je bil uporabljen v novem delu, Alice in Bob komunicirata z laserskimi impulzi. Vsak impulz predstavlja eno kroglico. Impulzi potekajo skozi cepilnik snopa, ki polovico vsakega impulza pošlje Alice in Bobu. Ko impulz doseže Alice, lahko ona premakne fazo laserskega impulza, da kodira podatke o vsaki kroglici - odvisno od njene barve, rdeče ali modre barve.
Medtem Bob kodira podatke o parih kroglic, ki ga zanimajo njegovo polovico laserskih impulzov. Nato se impulzi zbližajo v drugem cepilniku žarka, kjer se medsebojno motijo. Interferenčni vzorec, ki ga ustvarjajo impulzi, odraža razlike v premikanju faz vsakega impulza. Bob lahko prebere vzorec motenj na najbližjem fotonskem detektorju.
Vse do trenutka, ko Bob "prebere" Alicino lasersko sporočilo, je Alicino kvantno sporočilo sposobno odgovoriti na kakršno koli vprašanje o katerem koli paru. Toda postopek branja kvantnega sporočila ga uniči in Bob dobi informacije o samo enem paru kroglic.
Ta lastnost kvantnih informacij - da jih je mogoče brati na različne načine, navsezadnje pa jih bo prebral le eden - močno zmanjša količino informacij, ki jih je mogoče posredovati za rešitev problema z ujemanjem vzorca. Če mora Alice Bobu poslati 100 klasičnih bitov, da bo lahko odgovoril na njegovo vprašanje, lahko naredi isto nalogo s približno 10 kubiki ali kvantnimi biti.
To je dokaz načela, ki ga potrebujete za ustvarjanje prave kvantne mreže, pravi Graham Smith, fizik v JILA v Boulderju v Koloradu.
Novi eksperiment je očitno zmaga nad klasičnimi metodami. Raziskovalci so poskus začeli, natančno vedoč, koliko informacij je treba, da se klasično posredujejo, da bi rešili težavo. Nato so prepričljivo dokazali, da jih kvantna orodja lahko rešijo na bolj kompakten način.
Ta rezultat ponuja tudi alternativno pot do dolgoletnega cilja računalništva: dokazovanje, da so kvantni računalniki boljši od klasičnih računalnikov.
Ilya Khel