Знаковый эксперимент доказал, что квантовая передача сообщений работает быстрее классической

https://www.quantamagazine.org/milestone-experiment-proves-quantum-communication-really-is-faster-20181219/
  • Перевод

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.
Поделиться публикацией

Комментарии 32

    +14
    Очень, очень плохо написано, ещё хуже переведено. Где-то к последнему абзацу становится понятно о чём речь, и то приходится продираться через перевод.
      0
      А вы не могли бы прояснить?
      Просто, насколько я вижу, «классический канал» рассматривается, как передача одного бита в одном фотоне.
      Хотя даже «классический фотон» (ну, уж насколько этот термин вообще применим) может нести больше информации, чем один бит. Собственно говоря, «доквантовое» радио с его амплитудной и частотной модуляцией, по сути лежит на передаче информации фотонами с разной длиной волны (по сути энергией). Ну, и еще есть поляризация, которая тоже иногда используется в «доквантовых» каналах связи.
        +3
        В двух словах: у нас есть задача — передать от Алисы к Бобу список данных таким образом, чтобы Боб мог на своё усмотрение проверить один бит. Какой именно решает Боб у себя, а Алиса должна сделать так, чтобы любой из 100500 битов мог быть проверен.

        Классическое решение требует отправить столько битов, сколько может быть проверено. Квантовое (если верить статье) — один «запутанный» бит. Боб может проверить свой бит (но только один).

        Аналоговое тут не при делах, потому что для аналогового канала есть потолок пропускной способности (теорема Колмогорова и т.д., которая в себя вбирает всё — фазу, амплитуду, скважность, поляризацию, спин и т.д.), и этот потолок (помноженный на длительность передачи) и есть то, сколько максимум можно передать бит. Утверждается, что в квантовой версии можно дать возможность проверить больше битов, чем было передано «объектов».
          0
          один «запутанный» бит.

          Вот тут-то у меня и вопросы к статье с практической точки зрения, потому что канал связи, который может передавать запутанный бит это уже не канал связи, который может передавать бит.
          Аналоговое тут не при делах, потому что для аналогового канала есть потолок пропускной способности

          А вот нифига. «запутанный бит» это уже не цифровой канал связи, а аналоговый, потому что передается больше, чем 1 или 0.
          Да, современная наука и инженерия уже давно оценили объем классического аналогового канала связи, и ЕМНИП, он ограничен тремя практическими факторами:
          1. Полоса пропускания (физическое ограничение оборудования и канала, но не теоретическое. В теории можно хоть от ДВ до рентгена передавать).
          2. Динамический диапазон (опять-таки ограничение физическое в виде погрешностей передатчика/приемника и шумов в канале)
          3. Время (ну, это в контексте статьи смысла не имеет, т.к. как раз оцениваем скорость передачи).

          Я бы понял, если бы в статье сравнивались бы реальные аналоговые каналы связи (потому что для «квантового» предполагается явно не биты передавать), и было бы сказано, что при том же оптоволокне квантовое решение дает лучшую скорость.

          Но когда сравнивают механизм передачи 1 фотон 1 бит, и 100500 бит в 1 фотон…
            +1
            На самом деле у фотона есть ровно две характеристики (за вычетом пространства-времени): длина волны и поляризация. Поляризация — это один бит [1]. Определение частоты ограничено временной точностью (чем точнее мы знаем время прилёта, тем хуже мы знаем частоту), так что максимальное количество для передачи данных через один фотон вполне себе ограничено.

            А в статье говорят, что для этой задачи они могут передать больше. Точнее, не больше, а могут реализовать такой механизм, который эквивалентен большему числу информации в классической системе.

            [1]https://en.wikipedia.org/wiki/Photon_polarization
              0
              По вашей же ссылке:
              Equivalently, a photon can be described as having horizontal or vertical linear polarization, or a superposition of the two.

              Если сомневаетесь — купите две пары солнцезащитных очков с поляризацией и проверьте.
                +1
                Я не сомневаюсь. Но с суперпозицией всё просто — вы не можете её «померять». Никакими силами. Для одного фотона она будет либо горизонтальной, либо вертикальной при замере. Тут мы уже в квантовую физику идём.

                Пример с поляризационными плёнками как раз и обнажает нам квантовую физику: средний слой (я надеюсь, вы всё таки про три пары, а не про две) показывает, что фотоны рандомно принимают одну из двух других поляризаций.
                  0
                  Да, я протупил с вопросом измерения, как обычно бывает в квантовой.
            0
            Кстати, картинка в статье очень показательна в нижней ее части:
            CONCLUSION: Instead of sending many bits of information, Alice needs to send just one.

            Выглядит, как будто Алисе надо послать только один бит. Но слова «bit» в конце нет. Как будто маркетолог статью писал :-)
              +1
              По-моему, в анлийском “one” в таком виде, как в этом предложении, означает не «один» как число или цифру, а «один» как «штука», «это».
              Я бы перевел предложение, как: вместо отправки множества бит, Алисе надо отправить только тот самый фотон, о котором говорилось в предыдущем предложении.
                +2

                В русском языке есть устаревшее слово "оный". Звучит не очень, но хорошо передаёт суть.

                  0
                  тогда было бы «the one». Хотя даже в таком виде непонятно к какому слову этот one присобачить, т.к. никакого предложения в котором упоминается фотон в контексте не видно.
                  Если было бы «Alice needs to send one», то грамматически, может, и ок (хоть и кривоватенько звучит), но тогда получается, что Алисе достаточно послать именно бит из первой части предложения, что странно.
            +2
            SLY_G недовыполнил ежедневный план по буквам. Добивает как может.
            +4
            Честно говоря, не понял, в чем выигрыш?

            В классическом случае Алиса отправила бы только необходимую информацию, а в квантовом случае — отправляет всю информацию, а Боб вычленяет из неё то, что ему надо.

            Кто понимает, в чем фокус, поясните пожалуйста?
              0
              По условиям задачи должно использоваться только одно сообщение от Алисы к Бобу.

              Соль тут в том, что вроде как квантовые компьютеры/процессы должны быть экспоненциально мощнее классических, но оказалось трудно найти задачи на которых они действительно мощнее. Ещё труднее оказалось это продемонстрировать экспериментально.

              Достижение заключается в том, что нашли такую задачу и экспериментально продемонстрировали, что да, действительно, использование квантовых процессов для решения этой задачи позволяет экспоненциально снизить количество передаваемой информации.

              Для случая простой передачи информации всё остаётся по-прежнему — два бит на кубит, если у Алисы и Боба есть части квантово-запутанной пары (Superdense coding). И не больше бита на кубит, если нет (теорема Холево).
                0
                использование квантовых процессов для решения этой задачи позволяет экспоненциально снизить количество передаваемой информации

                Вот тут как раз к статье-то (или переводу) и претензии. Оценивать передачу информации надо не фотонами, а энтропией (очень грубо, но идея, надеюсь, понятна).
                  0
                  Если я правильно понимаю статью, экспериментально они проверили более слабую версию квантового протокола, в котором передача данных занимает O(n) времени, где n — число бит. При этом утверждается, что количество информации — O(log n) против O(√n) в классическом случае (т.е. экспоненциальное улучшение):

                  Note that this protocol takes time n, since we have a sequence of n time modes, and thus loses any advantage compared to the classical protocol in terms of communication time. Nevertheless, the information transmitted by this protocol remains only logarithmic, which is exponentially better that the classical protocol that requires O(√n) bits of information.


                  Можете пожалуйста объяснить, почему это всё ещё круто? Я видимо не очень понимаю, что здесь значит «количество информации», потому что кажется, что эти же n «пульсов» (time modes) должны быть эквивалентны кодированию n бит.
                0
                Судя по описания это не сжатие информации, и Боб и Алиса 'отправляют' в канал (воздействуют на фотоны) всю информацию, но характеристики канала такие что он фактически выполняет часть вычислений (которые в обычном случае должен был бы делать Боб, чтобы понять, о каком шаре отправлять информацию) и Алиса может получить только тот ответ который хотела получить.
                  +3
                  Ничего не понял, но очень интересно.
                    0

                    Э… сравнивать канал связи, передающий кубиты и канал связи передающий биты как-то странно.
                    Особенно в практическом контексте.

                      +1
                      «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».


                      Это типа «у нас есть очень крутой канал связи, только передавать по нему данные нельзя».
                      Не вижу, как из этого может следовать
                      квантовые коммуникации превосходят классические способы передачи информации.

                      По-моему это попытка доказать что тёплое лучше синего.
                        0
                        Ну почему… это как про дудочку и кувшинчик.
                        Мне видится, скажем, такой технческий пример. Где я ошибаюсь?
                        У Алисы есть актуальная информация о том, какие шарды (A..Z) сейчас в рабочем состоянии, а какие нет. Она постоянно рассылает сводку состояний всем: Бобу, Чарли и прочим. Боб выбирает рандомно шард и перед отправкой может быстренько проверить доступен ли он.
                        Если Алиса будет слать состояния шардов обычным списком, то потребуется, грубо говоря, 26 бит, а в данном примере она может обойтись ~ln(26) qbit, но Боб сможет с помощью этого пакета проверить только один шард на доступность.
                        Возможно Бобу и достаточно проверить только один шард. Возможно, если он окажется недоступным, то уже неактуально будет выбирать какой-то другой, и пакет следует просто отбросить. Пример слегка натянутый «на глобус», но он уже более менее понятный, в отличии от тех «сферических коней в вакууме» которые норовят сочинить физики.
                        Возможно я не прав, и вся эта квантовая магия так не работает. Поправьте меня, кто может.
                        amarao?
                        0
                        Ничего не понял. Что за Pulses и как они N импульсов засовывают в один фотон?
                          0
                          что то мне кажется что количество сэкономленных битов будет компенсироваться временем, чтобы прогнать стартовый импульс через разделитель к Алисе и Бобу а потом их собрать обратно для интерференции, и отправить обратно адресатам — вместо классического один запрос, один ответ
                            0
                            А из тех кто понял что тут вообще написано кто-нибудь может ответить на такой вопрос.
                            Если допустим у нас 3 действующих лица: Алиса, Боб и Дэвид.
                            Аслиса «делит» импульс и отправляет одну половину как есть и одну со сдвигом фазы в канал.
                            Боб «делит» оба импульса из канала и с одной половиной делает всё что описано в статье, а вторую отправляет Дэвиду.
                            Дэвид делает всё то-же самое что и боб, но для другого «шарика».
                            Получится у Боба и Дэвида получить правильные ответы на вопрос какого цвета их шарик?
                              0
                              получается что да
                              но я не вижу какого то преимущества
                              в классическом канале для обмена информацией надо сделать только 2 запроса
                              тут в квантовом 3 — но вроде как с меньшим количеством бит
                              можно ли назвать это эффективным?
                                0
                                Смысл в том, что Алиса посылает одно сообщение в канал, а Боб и Дэвид достают из него нужные каждому части. Т.е. этакий селективный мультикаст…
                                  0
                                  какой то квантовый торрент
                              0
                              Я конечно пронимаю всю важность квантовой физики, но с квантовым компьютером получилось нечто типа: учёные полвека придумывали некий бульбулятор, а теперь ещё полвека будут думать куда бы его применить =)
                                0
                                куда его применить, это фактически не проблема, инструмент шикарнейший, проблема даже не изобрести его, а сделать ;) нужны десятки тысяч связных кубит а умеет пока только десятки.
                                  0
                                  Ну, это-то не проблема. Человечество более полувека думало чего делать с эфиром и как жить, если его нет.
                                  И, наверняка, народ задумывался куда применить эту Общую Теорию Относительности.
                                  Однако, сейчас GPS и подобные системы (а без ОТО оно не работает) пользуют даже те, кто третий закон Ньютона не освоил, и никого это не парит.
                                  0
                                  Тут речь не про latency, а про brandwidth, так что не интересно.

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое