El experimento de signos mostró que la mensajería cuántica es más rápida que la clásica

Investigadores en un laboratorio de París por primera vez mostraron que los métodos cuánticos de transmisión de información son mejores que los clásicos.

Las comunicaciones cuánticas le permiten enviar información de cierto tipo utilizando exponencialmente menos bits de los necesarios para las comunicaciones clásicas

Las computadoras cuánticas siguen siendo un sueño, pero la era de las comunicaciones cuánticas ya ha llegado. Un nuevo experimento en París por primera vez demostró que las comunicaciones cuánticas son superiores a los métodos clásicos de transmisión de información.

"Fuimos los primeros en mostrar una ventaja cuántica en el campo de la transferencia de información, que dos partes deben compartir para realizar una tarea útil", dijo Helen Diamanti , ingeniera eléctrica de la Sorbona, y coautora del resultado, junto con Jordanis Kerenidis , especialista en informática en la Universidad de Didro. en París y con Niraj Kumar .

Muchos expertos esperan que las máquinas cuánticas que usan las propiedades cuánticas de la materia para codificar información alteren el mundo de la informática. Pero el progreso avanza lentamente. Los ingenieros están trabajando arduamente para crear computadoras cuánticas rudimentarias, y los científicos informáticos teóricos se han enfrentado a un problema más fundamental: no pudieron probar que las computadoras clásicas nunca puedan hacer frente a las tareas para las que se desarrollan las cuánticas. Por ejemplo, el verano pasado, un adolescente de Texas demostró que un problema que, como se pensaba anteriormente, solo puede resolverse rápidamente en una computadora cuántica, puede resolverse rápidamente en una computadora clásica.

Sin embargo, en el campo de las comunicaciones (en lugar de la informática), las ventajas del enfoque cuántico ya están reconocidas. Hace más de diez años, un informático demostró que, al menos en teoría, las comunicaciones cuánticas están por delante de los métodos clásicos de envío de mensajes en el marco de ciertas tareas.

“En su mayor parte, la gente miraba los problemas computacionales. La gran ventaja de las comunicaciones es que puede probar los beneficios ”, dijo Kerenidis.

En 2004, Kerenidis y otros dos especialistas en ciencias de la computación imaginaron una tarea en la que una persona necesita enviar información a otra para que la segunda pueda responder una pregunta específica. Los investigadores han demostrado que una configuración cuántica puede resolver este problema transmitiendo una cantidad de información exponencialmente menor que en el caso clásico. Pero la instalación que inventaron era puramente teórica e inaccesible a la tecnología de la época.

"Pudimos demostrar una ventaja cuántica, pero fue muy difícil implementar el protocolo cuántico", dijo Kerenidis.




Helen y los muchachos: Diamanti, Kerenidis y Kumar crearon un sistema de transferencia de información cuántica, cuya superioridad sobre cualquier clásico puede demostrarse

El nuevo trabajo implementa una versión modificada del escenario que Kerenidis y sus colegas imaginaron. Se consideran dos usuarios en el trabajo, Alice y Bob. Alice tiene un conjunto de bolas numeradas. Cada bola tiene un color aleatorio, rojo o azul. Bob quiere saber si cierto par de bolas seleccionadas al azar tendrán el mismo color o un color diferente. Alice quiere enviar a Bob la menor cantidad de información posible, garantizando una respuesta a la pregunta de Bob.

Esta tarea se denomina "problema de coincidencia de muestra". Su solución tiene implicaciones para las áreas de criptografía y monedas digitales, donde los usuarios a menudo necesitan intercambiar información sin tener que dar todo lo que tienen. También es adecuado para demostrar los beneficios de las comunicaciones cuánticas.

"No puede simplemente decir:" Quiero enviarle una película, o algo más del tamaño de un gigabyte, y codificarla en un estado cuántico "y esperar algún tipo de ventaja cuántica", dijo Thomas Widick , especialista en TI del Instituto de Tecnología de California. "Necesitamos buscar tareas más sutiles".

Para resolver el problema de correspondencia de manera clásica, Alice necesita enviar información a Bob cuyo volumen es proporcional a la raíz cuadrada del número de bolas. Pero la naturaleza inusual de la información cuántica ofrece una solución más eficiente.



En la configuración de laboratorio utilizada en el nuevo trabajo, Alice y Bob se comunican mediante pulsos láser. Cada impulso representa una bola. Los pulsos pasan a través de un divisor de haz, enviando la mitad de cada pulso a Alice, y la otra mitad a Bob. Cuando un impulso pasa a Alice, ella puede cambiar su fase para codificar información sobre cada bola: azul o roja.

Mientras tanto, Bob codifica información sobre pares de bolas que le interesan en su propio medio pulso. Luego, los pulsos se encuentran en otro divisor de haz, interfiriendo entre sí. El resultado de su interferencia refleja las diferencias en el cambio de fase de cada uno de los pulsos. Bob puede examinar el patrón de interferencia utilizando detectores de fotones.

Hasta que Bob lea el mensaje láser de Alice, el mensaje cuántico de Alice puede responder cualquier pregunta sobre cualquier par. Pero la lectura destruye el mensaje y da información sobre un solo par de bolas.

Esta característica de la información cuántica, que potencialmente puede leerse de muchas maneras, pero en realidad solo tiene éxito, reduce drásticamente la cantidad de información que debe transmitirse para resolver el problema de hacer coincidir la muestra. Si Alice necesita enviar a Bob 100 bits clásicos para garantizar una respuesta a su pregunta, puede lograr el mismo resultado con 10 qubits o bits cuánticos.

"Este es uno de esos resultados que demuestran que una idea funciona para que usted obtenga una red cuántica real", dijo Graham Smith , físico del Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio en Boulder, PC. Colorado trabajando con tecnología cuántica.

Este nuevo experimento representa un triunfo puro sobre los métodos clásicos. Los investigadores lo realizaron, sabiendo exactamente cuánta información debería transmitirse de manera clásica para resolver el problema. Luego, demostraron indiscutiblemente que puede llevarse a cabo mucho más económicamente utilizando medios cuánticos. "Este trabajo es bueno porque muestra cómo las personas intentan demostrar que su tarea es difícil de realizar de manera clásica y luego lo hacen", utilizando métodos cuánticos, dijo Smith.

El resultado también sugiere la existencia de formas alternativas para lograr el objetivo de larga data de la informática: prueba de las ventajas de las computadoras cuánticas sobre las clásicas. Esta "superioridad" cuántica era difícil de demostrar en un dominio puramente computacional, pero muchos problemas importantes dependen no solo de la computación.

"Al combinar lo que podemos hacer con las capacidades informáticas y la mensajería, conectando estas dos áreas, será más fácil para nosotros demostrar la existencia de una ventaja cuántica", dijo Kerenidis.