Kvantitietokoneet ovat edelleen unelma, mutta kvanttiviestinnän aikakausi on saapunut. Uusi Pariisissa tehty kokeilu osoitti ensimmäistä kertaa, että kvanttiviestintä on parempi kuin klassiset tiedonsiirtomenetelmät.
"Olimme ensimmäiset osoittaneet kvantitatiivisuuden toimittaessamme tietoja, joita kahden osapuolen on tehtävä tehtävän suorittamiseksi", sanoo Eleni Diamanti, Sorbonnen yliopiston sähköinsinööri ja tutkimuksen yhteis kirjoittaja.
Kvanttikoneiden - joiden avulla aine koodataan aineen kvanttiominaisuuksilla - odotetaan mullistavan tietojenkäsittelyn. Mutta edistyminen tällä alalla on ollut erittäin hidasta. Samalla kun insinöörit pyrkivät luomaan alkeellisia kvantitietokoneita, teoreettiset tutkijat ovat kohdanneet perusteellisemman esteen: he eivät ole pystyneet osoittamaan, että klassiset tietokoneet eivät voi koskaan suorittaa tehtäviä, joihin kvantitietokoneet on suunniteltu. Esimerkiksi viime kesänä esimerkiksi Texasista peräisin oleva kaveri osoitti, että ongelma, jota pidettiin pitkään ratkaisevana vain kvantitietokoneessa, voidaan nopeasti ratkaista klassisella tietokoneella.
Tervetuloa kvantti-ikään
Viestinnän (ei tietojenkäsittelyn) alalla kvantti-lähestymistavan edut voidaan kuitenkin vahvistaa. Yli kymmenen vuotta sitten tutkijat osoittivat, että ainakin teoriassa kvanttiviestintä on parempi kuin klassinen tapa lähettää viestejä tiettyihin tehtäviin.
”Ihmiset olivat pääasiassa laskentatehtäviä. Yksi suurimmista eduista on, että viestintätehtävien edut ovat osoitettavia."
Diamantin teoksen yhteiskirjailija Jordanis Kerenidis ja kaksi muuta tutkijaa esittivät vuonna 2004 skenaarion, jossa yhden henkilön piti lähettää tietoja toiselle, jotta toinen henkilö voisi vastata tiettyyn kysymykseen. Tutkijat ovat osoittaneet, että kvanttipiiri voi suorittaa tehtävän siirtämällä eksponentiaalisesti vähemmän tietoa kuin klassinen järjestelmä. Mutta heidän esittämänsä kvanttipiiri oli puhtaasti teoreettinen - ja kaukana nykypäivän tekniikasta.
Mainosvideo:
"Pystyimme vahvistamaan tämän kvanttiedun, mutta kvanttiprotokollan toteuttaminen oli erittäin vaikeaa", Kerenidis sanoo.
Uusi teos on muokattu versio käsikirjoituksesta, jonka Kerenidis ja hänen kollegansa suunnittelivat. Kuten tavallista, siirrytään kahteen aiheeseen, Alice ja Bob. Alice on sarja numeroituja palloja. Jokainen pallo on satunnaisesti värillinen punainen tai sininen. Bob haluaa tietää, onko tietyllä satunnaisesti valitulla palloparilla sama väri tai erilaiset. Alice haluaa lähettää Bobille mahdollisimman vähän tietoja, varmistaen samalla, että Bob pystyy vastaamaan kysymykseen.
Tätä ongelmaa kutsutaan "kuvioiden yhteensovittamiseen liittyväksi ongelmaksi". Se on välttämätöntä salaustekniikassa ja digitaalisissa valuutoissa, joissa käyttäjät haluavat usein vaihtaa tietoja paljastamatta kaikkea mitä tietävät. Se osoittaa myös täydellisesti kvanttiviestinnän edut.
Et voi vain sanoa: Haluan lähettää sinulle elokuvan tai jotain gigatavua kokoista ja koodata sen kvanttilaan odottaen löytävänsä kvanttiedun, sanoo Kalifornian teknillisen instituutin tietotekijä Thomas Vidick. "Meidän on harkittava hienovaraisempia tehtäviä."
Klassisen ratkaisun löytämiseksi sopivaan ongelmaan Alice: n on lähetettävä Bob: lle tietomäärä, joka on verrannollinen pallojen lukumäärän neliöjuureen. Mutta kvantitiedon epätavallinen luonne tekee mahdolliseksi tehokkaamman ratkaisun.
Uudessa teoksessa käytetyssä laboratoriopiirissä Alice ja Bob kommunikoivat laserpulssien avulla. Jokainen impulssi edustaa yhtä palloa. Pulssit kulkevat säteenjakajan läpi, joka lähettää puolet jokaisesta pulssista Aliceen ja Bobiin. Kun pulssi saavuttaa Alice, hän voi siirtää laserpulssin vaihetta koodatakseen tietoa jokaisesta palloista - sen värin, punaisen tai sinisen mukaan.
Sillä välin, Bob koodaa tietoja pallopareista, jotka kiinnostavat häntä hänen puolelle laserpulsseja. Sitten pulssit yhtyvät toiseen säteenjakajaan, missä ne häiritsevät toisiaan. Pulssien tuottama häiriökuvio heijastaa eroja kuinka kunkin pulssin vaiheet siirtyivät. Bob voi lukea häiriökuvion lähimmästä fotoni-ilmaisimesta.
Siihen saakka, kunnes Bob "lukee" Alice-lasersanoman, Alice-kvantisanoma pystyy vastaamaan mihin tahansa pariin liittyviin kysymyksiin. Mutta kvanttiviestin lukemisprosessi tuhoaa sen ja Bob vastaanottaa tietoja vain yhdestä palloparista.
Tämä kvantti-informaation ominaisuus - että se voidaan lukea monin tavoin, mutta viime kädessä vain yksi lukee sen - vähentää huomattavasti tiedon määrää, joka voidaan välittää näytteensovitusongelman ratkaisemiseksi. Jos Alice tarvitsee lähettää 100 klassista bittiä Bobille, jotta hän voi vastata kysymykseen, hän voi suorittaa saman tehtävän noin 10 kvbitillä tai kvanttibitillä.
Tämä on todiste siitä periaatteesta, joka tarvitaan todellisen kvanttiverkon luomiseen, kertoo JILA: n fyysikko Graham Smith, Boulder, Colorado.
Uusi koe on selvä voitto klassisiin menetelmiin nähden. Tutkijat aloittivat kokeilun tietäen tarkalleen kuinka paljon tietoa oli tarpeen siirtää klassisella tavalla ongelman ratkaisemiseksi. Sitten he vakuuttavasti osoittivat, että kvanttityökalut voivat ratkaista sen kompaktimmalla tavalla.
Tämä tulos tarjoaa myös vaihtoehtoisen reitin tietotekniikan pitkäaikaiseen tavoitteeseen: todistaa, että kvantitietokoneet ovat parempia kuin klassiset tietokoneet.
Ilja Khel