Das Zeichenexperiment zeigte, dass Quantennachrichten schneller sind als klassische

Forscher in einem Pariser Labor haben zum ersten Mal gezeigt, dass Quantenmethoden zur Informationsübertragung besser sind als klassische

Mit der Quantenkommunikation können Sie Informationen eines bestimmten Typs mit exponentiell weniger Bits senden, als für die klassische Kommunikation erforderlich sind

Quantencomputer sind immer noch ein Traum, aber die Ära der Quantenkommunikation ist bereits angebrochen. Ein neues Experiment in Paris hat zum ersten Mal gezeigt, dass die Quantenkommunikation den klassischen Methoden der Informationsübertragung überlegen ist.

"Wir waren die ersten, die im Bereich des Informationstransfers einen Quantenvorteil zeigten, den zwei Parteien teilen müssen, um eine nützliche Aufgabe zu erfüllen", sagte Helen Diamanti , Elektrotechnikerin an der Sorbonne und Co-Autorin des Ergebnisses, zusammen mit Jordanis Kerenidis , einem Spezialisten für Informatik an der Didro- Universität in Paris und mit Niraj Kumar .

Viele Experten erwarten, dass Quantenmaschinen, die die Quanteneigenschaften von Materie zum Codieren von Informationen verwenden, die Welt des Rechnens auf den Kopf stellen werden. Aber der Fortschritt geht langsam voran. Ingenieure arbeiten hart daran, rudimentäre Quantencomputer zu entwickeln, und theoretische Informatiker standen vor einem grundlegenderen Problem: Sie konnten nicht beweisen, dass klassische Computer die Aufgaben, für die Quantencomputer entwickelt werden, niemals bewältigen können. Zum Beispiel hat ein Teenager aus Texas im vergangenen Sommer bewiesen, dass ein Problem, das, wie bisher angenommen, nur auf einem Quantencomputer schnell gelöst werden kann, auf einem klassischen Computer schnell gelöst werden kann.

Im Bereich der Kommunikation (und nicht der Datenverarbeitung) sind die Vorteile des Quantenansatzes jedoch bereits erkannt. Vor mehr als zehn Jahren hat ein Informatiker bewiesen, dass die Quantenkommunikation zumindest theoretisch den klassischen Methoden zum Versenden von Nachrichten im Rahmen bestimmter Aufgaben voraus ist.

„Die meisten Leute haben sich mit Rechenproblemen befasst. Der große Vorteil der Kommunikation besteht darin, dass Sie die Vorteile nachweisen können “, sagte Kerenidis.

Im Jahr 2004 stellten sich Kerenidis und zwei weitere Spezialisten für Informatik eine Aufgabe vor, bei der eine Person Informationen an eine andere senden muss, damit die zweite eine bestimmte Frage beantworten kann. Forscher haben bewiesen, dass ein Quantenaufbau dieses Problem lösen kann, indem er exponentiell weniger Informationen überträgt als im klassischen Fall. Die von ihnen erfundene Installation war jedoch rein theoretisch und für die damalige Technologie unzugänglich.

"Wir konnten einen Quantenvorteil nachweisen, aber es war sehr schwierig, das Quantenprotokoll tatsächlich zu implementieren", sagte Kerenidis.




Helen und die Jungs: Diamanti, Kerenidis und Kumar haben ein Quanteninformationsübertragungssystem geschaffen, dessen Überlegenheit gegenüber jedem klassischen bewiesen werden kann

Die neue Arbeit implementiert eine modifizierte Version des Szenarios, das Kerenidis und seine Kollegen sich vorgestellt haben. Zwei Benutzer werden in der Arbeit berücksichtigt, Alice und Bob. Alice hat einen Satz nummerierter Bälle. Jeder Ball hat eine zufällige Farbe, rot oder blau. Bob möchte wissen, ob ein bestimmtes Paar zufällig ausgewählter Bälle dieselbe oder eine andere Farbe hat. Alice möchte Bob so wenig Informationen wie möglich senden, um eine Antwort auf Bobs Frage zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird als "Sample Matching Problem" bezeichnet. Die Lösung hat Auswirkungen auf die Bereiche Kryptografie und digitale Währungen, in denen Benutzer häufig Informationen austauschen müssen, ohne alles preisgeben zu müssen, was sie haben. Es ist auch gut geeignet, um die Vorteile der Quantenkommunikation zu demonstrieren.

"Man kann nicht einfach sagen:" Ich möchte Ihnen einen Film oder etwas anderes in der Größe eines Gigabytes senden und ihn in einem Quantenzustand codieren "und einen Quantenvorteil erwarten", sagte Thomas Widick , IT-Spezialist am California Institute of Technology. "Wir müssen nach subtileren Aufgaben suchen."

Um das Korrespondenzproblem klassisch zu lösen, muss Alice Informationen an Bob senden, deren Volumen proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Bälle ist. Die ungewöhnliche Natur der Quanteninformation bietet jedoch eine effizientere Lösung.



In dem in der neuen Arbeit verwendeten Laboraufbau kommunizieren Alice und Bob über Laserpulse. Jeder Impuls repräsentiert eine Kugel. Impulse laufen durch einen Strahlteiler und senden die Hälfte jedes Impulses an Alice und die andere Hälfte an Bob. Wenn ein Impuls an Alice vorbeigeht, kann sie seine Phase verschieben, um Informationen über jeden Ball zu codieren - blau oder rot.

In der Zwischenzeit codiert Bob Informationen über Bällepaare, die ihn für seinen eigenen Halbpuls interessieren. Dann treffen sich die Impulse in einem anderen Strahlteiler und stören sich gegenseitig. Das Ergebnis ihrer Interferenz spiegelt die Unterschiede in der Phasenverschiebung jedes der Impulse wider. Bob kann dann das Interferenzmuster unter Verwendung von Photonendetektoren untersuchen.

Bis Bob Alices Lasernachricht liest, kann Alices Quantennachricht jede Frage zu einem Paar beantworten. Das Lesen zerstört jedoch die Nachricht und gibt nur Informationen über ein Paar Bälle aus.

Diese Eigenschaft von Quanteninformationen - dass sie möglicherweise auf viele Arten gelesen werden können, aber wirklich nur erfolgreich sind - reduziert die Menge an Informationen, die übertragen werden müssen, um das Problem der Übereinstimmung mit der Probe zu lösen, drastisch. Wenn Alice Bob 100 klassische Bits senden muss, um eine Antwort auf seine Frage zu garantieren, kann sie das gleiche Ergebnis mit 10 Qubits oder Quantenbits erzielen.

"Dies ist eines dieser Ergebnisse, die beweisen, dass eine Idee für Sie funktioniert, um ein echtes Quantennetzwerk zu erhalten", sagte Graham Smith , Physiker am Joint Institute for Laboratory Astrophysics in Boulder, PC. Colorado arbeitet mit Quantentechnologie.

Dieses neue Experiment ist ein reiner Triumph über klassische Methoden. Die Forscher führten es durch und wussten genau, wie viele Informationen klassisch übertragen werden sollten, um das Problem zu lösen. Dann haben sie unbestreitbar bewiesen, dass es mit Quantenmitteln viel wirtschaftlicher durchgeführt werden kann. "Diese Arbeit ist gut, weil sie zeigt, wie Menschen versuchen zu demonstrieren, dass es schwierig ist, ihre Aufgabe klassisch auszuführen, und es dann tun", sagte Smith unter Verwendung von Quantenmethoden.

Das Ergebnis legt auch die Existenz alternativer Wege nahe, um das langjährige Ziel der Informatik zu erreichen: den Nachweis der Vorteile von Quantencomputern gegenüber klassischen. Diese Quanten- "Überlegenheit" war in einem rein rechnerischen Bereich schwer zu beweisen, aber viele wichtige Probleme hängen nicht nur vom Rechnen ab.

"Indem wir kombinieren, was wir mit Computerfunktionen und Messaging tun können, und diese beiden Bereiche miteinander verbinden, können wir leichter nachweisen, dass ein Quantenvorteil besteht", sagte Kerenidis.