Kvantdatorer är fortfarande en dröm, men tiden för kvantkommunikation har kommit. Ett nytt experiment, som genomfördes i Paris, visade för första gången att kvantkommunikation är överlägsen klassiska metoder för att överföra information.
"Vi var de första som visade en kvantfördel när vi kommunicerade den information som två parter behöver för att utföra en uppgift," säger Eleni Diamanti, elektrotekniker vid Sorbonne University och medförfattare till studien.
Kvantmaskiner - som använder materiens kvantegenskaper för att koda information - förväntas revolutionera datoren. Men framstegen på detta område har varit extremt långsam. Medan ingenjörer arbetar för att skapa rudimentära kvantdatorer, har teoretiska forskare mött ett mer grundläggande hinder: de har misslyckats med att bevisa att klassiska datorer aldrig kan utföra de uppgifter som kvantdatorer är utformade för. I sommar bevisade till exempel en kille från Texas att ett problem som under en lång tid endast ansågs lösbart på en kvantdator snabbt kan lösas på en klassisk dator.
Välkommen till kvantåldern
Emellertid inom kommunikationsområdet (inte datoranvändning) kan fördelarna med kvantmetoden bekräftas. För mer än ett decennium sedan bevisade forskare att åtminstone i teorin är kvantkommunikation överlägsen klassiska sätt att skicka meddelanden för specifika uppgifter.
”Människor var främst engagerade i datoruppgifter. En av de stora fördelarna är att för kommunikationsuppgifter är fördelarna påvisbara."
2004 presenterade Jordanis Kerenidis, medförfattare till Diamantis arbete, och två andra forskare ett scenario där en person behövde skicka information till en annan så att en andra person skulle kunna besvara en specifik fråga. Forskare har bevisat att en kvantkrets kan utföra en uppgift genom att överföra exponentiellt mindre information än ett klassiskt system. Men kvantkretsen de presenterade var rent teoretiskt - och långt bortom dagens teknik.
Kampanjvideo:
"Vi kunde bekräfta denna kvantfördel, men det var extremt svårt att genomföra kvantprotokollet," säger Kerenidis.
Det nya verket är en modifierad version av manuset som Kerenidis och hans kollegor föreställde. Låt oss som vanligt vända oss till två ämnen, Alice och Bob. Alice har en uppsättning numrerade bollar. Varje boll är slumpmässigt färgad röd eller blå. Bob vill veta om ett visst par bollar, valda slumpmässigt, har samma färg eller är olika. Alice vill skicka Bob så lite information som möjligt och samtidigt se till att Bob kan svara på sin fråga.
Detta problem kallas ett "mönstermatchningsproblem". Det är viktigt för kryptografi och digitala valutor, där användare ofta vill utbyta information utan att avslöja allt de vet. Det visar också perfekt fördelarna med kvantkommunikation.
Du kan inte bara säga: Jag vill skicka en film eller något på storleken på en gigabyte och koda den till ett kvanttillstånd och förväntar mig att hitta en kvantfördel, säger Thomas Vidick, en datavetare vid California Institute of Technology. "Vi måste överväga mer subtila uppgifter."
För den klassiska lösningen på matchningsproblemet måste Alice skicka Bob en mängd information som är proportionell mot kvadratroten av antalet bollar. Men kvantinformationens ovanliga karaktär gör en effektivare lösning möjlig.
I laboratoriekretsen som används i det nya arbetet kommunicerar Alice och Bob med laserpulser. Varje impuls representerar en boll. Pulserna passerar genom en stråldelare som skickar hälften av varje puls till Alice och Bob. När pulsen når Alice kan hon flytta laserpulsens fas för att koda information om varje boll - beroende på dess färg, röd eller blå.
Under tiden kodar Bob information om paren av bollar som intresserar honom i hans hälften av laserpulserna. Sedan samlas pulserna i en annan stråldelare, där de stör varandra. Interferensmönstret som produceras av pulserna återspeglar skillnader i hur faserna för varje puls skiftades. Bob kan läsa interferensmönstret på närmaste fotondetektor.
Fram till det ögonblick då Bob "läser" Alice's lasermeddelande, kan Alice kvantmeddelande svara på alla frågor om något par. Men processen att läsa kvantmeddelandet förstör det och Bob får information om bara ett par bollar.
Denna egenskap med kvantinformation - att den kan läsas på olika sätt, men i slutändan bara en kommer att läsa den - minskar kraftigt mängden information som kan förmedlas för att lösa provmatchningsproblemet. Om Alice behöver skicka 100 klassiska bitar till Bob så att han kan svara på sin fråga kan hon göra samma uppgift med cirka 10 bitar eller kvantbitar.
Detta är det principprincip du behöver för att skapa ett riktigt kvantnätverk, säger Graham Smith, en fysiker vid JILA i Boulder, Colorado.
Det nya experimentet är en tydlig triumf över klassiska metoder. Forskarna startade experimentet och visste exakt hur mycket information som behövde överföras på det klassiska sättet för att lösa problemet. Sedan demonstrerade de övertygande att kvantverktyg kan lösa det på ett mer kompakt sätt.
Detta resultat erbjuder också en alternativ väg till ett långvarigt mål inom datavetenskap: att bevisa att kvantdatorer är överlägsna klassiska datorer.
Ilya Khel
