Исследователи в парижской лаборатории впервые показали, что квантовые методы передачи информации лучше классических
Квантовые коммуникации позволяют отправлять информацию определённого типа, используя экспоненциально меньше битов, чем требуется для классических коммуникаций
Квантовые компьютеры всё ещё остаются мечтой, но эра квантовых коммуникаций уже наступила. Новый эксперимент в Париже впервые продемонстрировал, что квантовые коммуникации превосходят классические способы передачи информации.
«Мы первыми показали квантовое преимущество в области передачи информации, которой должны поделиться две стороны, чтобы выполнить полезную задачу», — сказала Элен Диаманти, инженер-электрик из Сорбонны, и соавтор результата, полученного вместе с Иорданисом Керенидисом, специалистом по информатике из Университета Дидро в Париже, и с Нираджем Кумаром.
Многие специалисты ожидают, что квантовые машины, использующие квантовые свойства материи для кодирования информации, перевернут мир вычислений. Но прогресс движется медленно. Инженеры усердно трудятся над тем, чтобы создать рудиментарные квантовые компьютеры, а специалисты по теоретической информатике столкнулись с более фундаментальной проблемой: они не могли доказать, что классические компьютеры никогда не смогут справиться с задачами, для которых разрабатываются квантовые. К примеру, летом прошлого года подросток из Техаса доказал, что задачу, которая, как считалось ранее, быстро решается только на квантовом компьютере, можно быстро решить и на классическом.
Однако в области коммуникаций (а не вычислений) преимущества квантового подхода уже признаны. Более десяти лет назад один специалист по информатике доказал, что, по крайней мере, теоретически квантовые коммуникации опережают классические способы отправки сообщений в рамках определённых задач.
«По большей части люди рассматривали вычислительные задачи. Большое преимущество коммуникаций состоит в том, что тут преимущества можно доказать», — сказал Керенидис.
В 2004 году Керенидис и двое других специалистов по информатике представили себе задачу, в которой одному человеку надо отправить информацию другому так, чтобы второй смог ответить на определённый вопрос. Исследователи доказали, что квантовая установка может решить эту задачу, передавая экспоненциально меньшее количество информации, чем в классическом случае. Но придуманная ими установка была чисто теоретической, и недоступной для технологии того времени.
«Мы могли доказать квантовое преимущество, но было очень сложно реально воплотить квантовый протокол», — сказал Керенидис.
Элен и ребята: Диаманти, Керенидис и Кумар создали квантовую систему передачи информации, превосходство которой над любой классической можно доказать
Новая работа реализует изменённую версию того сценария, который представляли себе Керенидис и его коллеги. В работе рассматриваются два пользователя, Алиса и Боб. У Алисы есть набор пронумерованных шаров. Каждый шар имеет случайный цвет, красный или синий. Боб хочет узнать, будет ли определённая пара шаров, выбранных случайно, иметь одинаковый или разный цвет. Алиса хочет отправить Бобу наименьшее возможное количество информации, гарантируя ответ на вопрос Боба.
Эта задача называется «задачей соответствия выборки». У её решения есть последствия для областей криптографии и цифровых валют, где пользователям часто нужно обмениваться информацией без необходимости выдавать всё, что у них есть. Также она хорошо подходит для демонстрации преимуществ квантовых коммуникаций.
«Нельзя просто сказать: „Я хочу отправить тебе фильм, или что-то ещё размером в гигабайт, и закодировать это в квантовом состоянии“ и ожидать какого-то квантового преимущества, — сказал Томас Видик, специалист по информатике из Калифорнийского технологического института. – Надо подыскивать более тонкие задачи».
Чтобы решить задачу соответствия классически, Алисе нужно отправить Бобу информацию, объём которой пропорционален квадратному корню из количества шаров. Но необычная природа квантовой информации предлагает более эффективное решение.
В лабораторной установке, используемой в новой работе, Алиса и Боб общаются при помощи лазерных импульсов. Каждый импульс представляет один шар. Импульсы проходят через светоделитель, отправляющий половину каждого импульса Алисе, а другую половину – Бобу. Когда импульс проходит мимо Алисы, она может сдвинуть его фазу, чтобы закодировать информацию о каждом шаре – голубой он или красный.
Тем временем Боб кодирует информацию по поводу пар шаров, которые его интересуют, в свою половину импульса. Затем импульсы встречаются в другом светоделителе, интерферируя друг с другом. Результат их интерференции отражает различия в сдвиге фаз каждого из импульсов. Боб затем может изучить картину интерференции при помощи детекторов фотонов.
До того момента, как Боб считывает лазерное сообщение Алисы, квантовое сообщение Алисы может ответить на любой вопрос по поводу любой пары. Но считывание уничтожает сообщение, и выдаёт информацию только об одной паре шаров.
Эта характеристика квантовой информации – то, что потенциально его можно прочесть многими способами, но реально удаётся только одним – кардинально уменьшает количество информации, которую нужно передать для решения задачи соответствия выборки. Если Алисе нужно отправить Бобу 100 классических битов, чтобы гарантировать ответ на его вопрос, она может добиться того же результата при помощи 10 кубитов, или квантовых битов.
«Это один из тех результатов, доказывающих работоспособность идеи, который вам надо получить, чтобы создать реальную квантовую сеть», — сказал Грэем Смит, физик из Объединённого института лабораторной астрофизике в г. Болдер, шт. Колорадо, работающий с квантовыми технологиями.
Этот новый эксперимент представляет собой чистый триумф над классическими методами. Исследователи проводили его, зная точно, сколько информации надо передать классически для решения задачи. Затем они неоспоримо доказали, что его можно провести гораздо экономичнее, используя квантовые средства. «Эта работа хороша тем, что в ней видно, как люди стараются продемонстрировать, что их задачу сложно выполнить классически, а потом выполняют её» используя квантовые методы, сказал Смит.
Результат также говорит о наличии альтернативных путей достижения давней цели информатики: доказательства преимущества квантовых компьютеров над классическими. Это квантовое «превосходство» было сложно доказать в чисто вычислительной области, но многие важные проблемы зависят не только от вычислений.
«Скомбинировав то, что мы можем делать с вычислительными возможностями и с передачей сообщений, соединив два этих направления, нам будет легче доказать наличие квантового преимущества», — сказал Керенидис.
