A kvantumszámítógépek továbbra is álom, de megérkezett a kvantumkommunikáció korszaka. Egy új, Párizsban végzett kísérlet először megmutatta, hogy a kvantumkommunikáció felülmúlja az információátadás klasszikus módszereit.
"Mi voltunk az elsők, akik kvantitatív fölényt mutattak be az információátadásban, amelyre két félnek szüksége van egy feladat elvégzéséhez" - mondta Eleni Diamanti, a Sorbonne Egyetem villamosmérnöke és a tanulmány társszerzője.
A kvantumgépek - amelyek az anyag kvantumjellemzőit használják információ kódolására - várhatóan forradalmasítják a számítástechnikát. De a haladás ezen a területen rendkívül lassú. Miközben a mérnökök kidolgoznak egy alapvető kvantumszámítógépet, addig az elméleti tudósok alapvető akadályokkal szembesültek: nem sikerült bizonyítaniuk, hogy a klasszikus számítógépek soha nem tudják elvégezni azokat a feladatokat, amelyekhez a kvantumszámítógépeket tervezték. Például tavaly nyáron egy texasi srác bebizonyította, hogy egy hosszú ideig csak kvantumszámítógépen megoldhatónak ítélt probléma gyorsan megoldható egy klasszikus számítógépen.
Üdvözöljük a kvantum korban
A kommunikáció (nem számítástechnika) területén azonban a kvantum megközelítés előnyei megerősíthetők. Több mint egy évtizeddel ezelőtt a tudósok bebizonyították, hogy legalább a kvantumkommunikáció elméletileg jobb, mint a klasszikus módok az üzenetek küldése bizonyos feladatokhoz.
„Az emberek elsősorban számítógépes feladatokkal foglalkoztak. Az egyik nagy előnye, hogy kommunikációs feladatok esetén az előnyök bizonyíthatók."
2004-ben Jordanis Kerenidis, a Diamanti munkájának társszerzője és két másik tudós bemutatta egy olyan forgatókönyvet, amelyben az egyik személynek információkat kellett küldenie egy másiknak, hogy egy másik személy válaszoljon egy adott kérdésre. A kutatók bebizonyították, hogy a kvantumáramkör exponenciálisan kevesebb információ átadásával képes végrehajtani egy feladatot, mint egy klasszikus rendszer. De az általuk bemutatott kvantumáramkör tisztán elméleti volt - és messze meghaladta a mai technológiákat.
Promóciós videó:
"Meg tudtuk erősíteni ezt a kvantum-előnyt, de rendkívül nehéz volt megvalósítani a kvantum protokollt" - mondja Kerenidis.
Az új munka Kerenidis és munkatársai által elképzelt forgatókönyv módosított változata. Mint általában, forduljunk két témához, Alice-hez és Bob-hoz. Alice számozott golyóval rendelkezik. Minden labda véletlenszerűen piros vagy kék színű. Bob meg akarja tudni, hogy egy véletlenszerűen kiválasztott golyópár azonos színű vagy eltérő-e. Alice minél kevesebb információt akar elküldeni Bobnak, miközben biztosítja, hogy Bob megválaszolja a kérdését.
Ezt a problémát "minta illesztési problémának" nevezik. Alapvető fontosságú a kriptográfia és a digitális valuták esetében, ahol a felhasználók gyakran információt akarnak cserélni anélkül, hogy mindent ismertetnének. Ez is tökéletesen bemutatja a kvantumkommunikáció előnyeit.
Nem lehet csak azt mondani: filmet vagy valami gigabájt méretű filmet akarok küldeni neked, és kvantumállapotba kódolni, arra számítva, hogy kvantumelőnyöket találnak - mondja Thomas Vidick, a kaliforniai Műszaki Intézet számítógépes tudósa. "Finomabb feladatokat kell mérlegelnünk."
A párosítási probléma klasszikus megoldása érdekében Alice-nek el kell küldenie Bobnak olyan mennyiségű információt, amely arányos a golyószám négyzetgyökével. A kvantuminformáció szokatlan jellege azonban hatékonyabb megoldást tesz lehetővé.
Az új munkában alkalmazott laboratóriumi körben Alice és Bob lézeres impulzusok segítségével kommunikálnak. Minden impulzus egy golyót jelent. Az impulzusok áthaladnak egy sugár-elosztón, amely minden impulzus felét Alice-nek és Bob-nak továbbítja. Amikor az impulzus eléri az Alice-t, elmozdíthatja a lézerimpulzus fázisát, hogy minden golyóra vonatkozó információt kódoljon - a színétől függően, piros vagy kék.
Eközben Bob kódolja azokat a golyópárokat, amelyek érdeklik őt a lézerimpulzusok felében. Ezután az impulzusok egy másik sugár-elosztón konvergálnak, ahol zavarják egymást. Az impulzusok által generált interferenciamintázat az egyes impulzusok fázisainak eltolódásában mutatott különbségeket tükrözi. Bob el tudja olvasni az interferenciamintázatot a legközelebbi fotondetektorról.
Addig a pillanatig, amikor Bob "elolvassa" Alice lézerüzenetét, Alice kvantumüzenete képes bármilyen kérdésre megválaszolni bármelyik párt. De a kvantumüzenet elolvasása elpusztítja azt, és Bob csak egy golyópártól kap információt.
A kvantuminformációnak ez a tulajdonsága - hogy sokféleképpen olvasható, de végül csak egy olvassa el - jelentősen csökkenti a mintaegyeztetési probléma megoldásához továbbítandó információ mennyiségét. Ha Alice-nek 100 klasszikus bitet kell elküldenie Bobnak, hogy válaszoljon a kérdésére, akkor ugyanazt a feladatot megteheti kb. 10 kvbittel vagy kvantumbittel.
Ez igazolja annak az elvnek az igazságát, hogy valódi kvantumhálózatot kell létrehozni - mondta Graham Smith, a JILA fizikusa, Boulder, Colorado.
Az új kísérlet egyértelmű győzelem a klasszikus módszerekkel szemben. A kutatók a kísérlet megkezdésével pontosan tudták, mennyi információt kell továbbítani a klasszikus módon a probléma megoldásához. Aztán meggyőzően bebizonyították, hogy a kvantumeszközök kompaktabb módon oldhatják meg.
Ez az eredmény egy alternatív utat is felvet egy hosszú távú cél elérésére a számítástechnikában: annak bizonyítása, hogy a kvantumszámítógépek jobbak a klasszikus számítógépeknél.
Ilya Khel