Kvantu datori joprojām ir sapnis, taču ir pienācis kvantu komunikāciju laikmets. Jauns eksperiments, kas veikts Parīzē, pirmo reizi parādīja, ka kvantu komunikācija ir pārāka par klasiskajām informācijas pārsūtīšanas metodēm.
“Mēs pirmie parādījām kvantu priekšrocības, paziņojot informāciju, kas abām pusēm nepieciešama uzdevuma veikšanai,” saka Eleni Diamanti, Sorbonas universitātes elektrotehniķe un pētījuma līdzautore.
Paredzams, ka kvantu mašīnas, kas informācijas kodēšanai izmanto matērijas kvantu īpašības, mainīs skaitļošanu. Bet progress šajā jomā ir bijis ļoti lēns. Kamēr inženieri strādā pie rudimentāru kvantu datoru izveidošanas, teorētiskie zinātnieki ir saskārušies ar fundamentālāku šķērsli: viņiem nav izdevies pierādīt, ka klasiskie datori nekad nevar pabeigt uzdevumus, kuriem kvantu datori ir paredzēti. Piemēram, pagājušajā vasarā puisis no Teksasas pierādīja, ka problēmu, kuru ilgu laiku uzskatīja par risināmu tikai ar kvantu datoru, var ātri atrisināt klasiskā datorā.
Laipni lūdzam kvantu laikmetā
Tomēr sakaru (nevis skaitļošanas) jomā var apstiprināt kvantu pieejas priekšrocības. Vairāk nekā pirms desmit gadiem zinātnieki pierādīja, ka vismaz teorētiski kvantu komunikācija ir pārāka par klasiskajiem ziņojumu sūtīšanas veidiem noteiktiem uzdevumiem.
“Cilvēki galvenokārt nodarbojās ar skaitļošanas uzdevumiem. Viena no lielajām priekšrocībām ir tā, ka komunikācijas uzdevumu gadījumā ieguvumi ir pierādāmi."
2004. gadā Jordānija Kerenidis, Diamanti darba līdzautors un vēl divi zinātnieki iepazīstināja ar scenāriju, kurā vienai personai vajadzēja nosūtīt informāciju citai, lai otra persona varētu atbildēt uz konkrētu jautājumu. Pētnieki ir pierādījuši, ka kvantu shēma var izpildīt uzdevumu, nododot eksponenciāli mazāk informācijas nekā klasiskā sistēma. Bet viņu iesniegtā kvantu shēma bija tīri teorētiska - un tālu aiz mūsdienu tehnoloģijas.
Reklāmas video:
"Mēs varējām apstiprināt šo kvantu priekšrocību, taču bija ārkārtīgi grūti īstenot kvantu protokolu," saka Kerenidis.
Jaunais darbs ir Kerenidisa un viņa kolēģu iecerētā scenārija modificēta versija. Kā parasti, pievērsīsimies diviem priekšmetiem - Alisei un Bobam. Alisei ir numurētu bumbiņu komplekts. Katra bumba ir nejauši iekrāsota sarkanā vai zilā krāsā. Bobs vēlas uzzināt, vai noteiktam bumbiņu pārim, kas izvēlēts pēc nejaušības principa, ir vienāda krāsa vai tie ir atšķirīgi. Alise vēlas nosūtīt Bobam pēc iespējas mazāk informācijas, vienlaikus nodrošinot, ka Bobs var atbildēt uz viņa jautājumu.
Šī problēma tiek dēvēta par "modeļa atbilstības problēmu". Tas ir svarīgi kriptogrāfijai un digitālajām valūtām, kurās lietotāji bieži vēlas apmainīties ar informāciju, neizpaužot visu, ko viņi zina. Tas arī lieliski parāda kvantu komunikācijas priekšrocības.
Jūs nevarat vienkārši pateikt: es vēlos jums nosūtīt filmu vai kaut ko tādu, kas ir gigabaita izmērs, un iekodēt to kvantu stāvoklī, cerot atrast kvantu priekšrocības, saka Kalifornijas Tehnoloģiju institūta datorzinātnieks Tomass Vidiks. "Mums jāapsver smalkāki uzdevumi."
Lai klasiski rastu atbilstības problēmu, Alisei jānosūta Bobs informācijas daudzums, kas ir proporcionāls bumbiņu skaita kvadrātsaknei. Bet kvantu informācijas neparastais raksturs padara iespējamu efektīvāku risinājumu.
Jaunajā darbā izmantotajā laboratorijas ķēdē Alise un Bobs sazinās, izmantojot lāzera impulsus. Katrs impulss apzīmē vienu bumbiņu. Impulsi iziet cauri staru sadalītājam, kurš pusi no katra impulsa nosūta Alisai un Bobai. Kad impulss sasniedz Alīsiju, viņa var mainīt lāzera impulsa fāzi, lai kodētu informāciju par katru bumbiņu - atkarībā no tās krāsas, sarkanas vai zilas.
Tikmēr Bobs kodē informāciju par bumbiņu pāriem, kas viņu interesē, savā pusē no lāzera impulsiem. Tad impulsi saplūst citā staru sadalītājā, kur tie viens otram traucē. Impulsu radītie traucējumu raksti atspoguļo atšķirības katra impulsa fāžu maiņā. Bobs var nolasīt traucējumu modeli tuvākajā fotonu detektorā.
Līdz brīdim, kad Bobs "nolasa" Alises lāzera ziņojumu, Alises kvantu ziņojums spēj atbildēt uz visiem jautājumiem par jebkuru pāri. Bet kvantu ziņojuma lasīšanas process to iznīcina, un Bobs saņem informāciju tikai par vienu bumbiņu pāri.
Šis kvantu informācijas īpašums - ka to var lasīt dažādos veidos, bet galu galā to lasīs tikai viens -, ievērojami samazina informācijas daudzumu, ko var nodot, lai atrisinātu paraugu saskaņošanas problēmu. Ja Alisei jānosūta Bobsam 100 klasiskie biti, lai viņš varētu atbildēt uz viņa jautājumu, viņa var veikt to pašu uzdevumu ar apmēram 10 kvitēm jeb kvantu bitiem.
Tas ir principa pierādījums, kas jums nepieciešams, lai izveidotu patiesu kvantu tīklu, saka Greims Smits, JILA fiziķis Boulderā, Kolorādo.
Jaunais eksperiments ir skaidrs triumfs pār klasiskajām metodēm. Pētnieki sāka eksperimentu, precīzi zinot, cik daudz informācijas klasiskajā veidā bija jāpārraida, lai atrisinātu problēmu. Tad viņi pārliecinoši parādīja, ka kvantu rīki to var atrisināt daudz kompaktākā veidā.
Šis rezultāts piedāvā arī alternatīvu ceļu uz sen sasniegto mērķi datorzinātnē: pierādīt, ka kvantu datori ir pārāki par klasiskajiem datoriem.
Iļja Khel