Eksperimen tanda menunjukkan bahwa pesan kuantum lebih cepat daripada klasik

Peneliti di laboratorium Paris untuk pertama kalinya menunjukkan bahwa metode kuantum dalam mentransmisikan informasi lebih baik daripada klasik

Komunikasi kuantum memungkinkan Anda mengirim informasi jenis tertentu menggunakan bit eksponensial lebih sedikit daripada yang diperlukan untuk komunikasi klasik

Komputer kuantum masih menjadi impian, tetapi era komunikasi kuantum telah tiba. Eksperimen baru di Paris untuk pertama kalinya menunjukkan bahwa komunikasi kuantum lebih unggul daripada metode klasik dalam mentransmisikan informasi.

"Kami adalah orang pertama yang menunjukkan keunggulan kuantum di bidang transfer informasi, yang harus dibagi oleh dua pihak untuk menyelesaikan tugas yang bermanfaat," kata Helen Diamanti , seorang insinyur listrik dari Sorbonne, dan penulis bersama hasilnya, bersama dengan Jordanis Kerenidis , seorang spesialis ilmu komputer di Universitas Didro di Paris, dan dengan Niraj Kumar .

Banyak ahli berharap bahwa mesin kuantum yang menggunakan sifat kuantum materi untuk menyandikan informasi akan mengubah dunia komputasi menjadi terbalik. Namun kemajuan bergerak lambat. Para insinyur sedang bekerja keras untuk menciptakan komputer kuantum yang belum sempurna, dan para ilmuwan komputer teoretis menghadapi masalah yang lebih mendasar: mereka tidak dapat membuktikan bahwa komputer klasik tidak pernah dapat mengatasi tugas-tugas yang sedang dikembangkan oleh komputer kuantum. Sebagai contoh, musim panas lalu seorang remaja dari Texas membuktikan bahwa masalah, yang, seperti yang diperkirakan sebelumnya, dapat dengan cepat diselesaikan hanya dengan komputer kuantum, dapat dengan cepat diselesaikan pada masalah klasik.

Namun, di bidang komunikasi (daripada komputasi), keuntungan dari pendekatan kuantum sudah diakui. Lebih dari sepuluh tahun yang lalu, seorang ilmuwan komputer membuktikan bahwa, setidaknya secara teoritis, komunikasi kuantum lebih maju daripada metode klasik pengiriman pesan dalam kerangka tugas tertentu.

“Sebagian besar, orang melihat masalah komputasi. Keuntungan besar dari komunikasi adalah Anda dapat membuktikan manfaatnya, ”kata Kerenidis.

Pada tahun 2004, Kerenidis dan dua spesialis lain dalam ilmu komputer membayangkan tugas di mana satu orang perlu mengirim informasi ke yang lain sehingga yang kedua dapat menjawab pertanyaan tertentu. Para peneliti telah membuktikan bahwa pengaturan kuantum dapat memecahkan masalah ini dengan mengirimkan jumlah informasi yang secara eksponensial lebih sedikit daripada kasus klasik. Tetapi instalasi yang mereka ciptakan itu murni teoretis, dan tidak dapat diakses oleh teknologi saat itu.

"Kita bisa membuktikan keunggulan kuantum, tetapi sangat sulit untuk benar-benar menerapkan protokol kuantum," kata Kerenidis.




Helen dan kawan-kawan: Diamanti, Kerenidis dan Kumar menciptakan sistem transfer informasi kuantum, yang keunggulannya lebih dari yang klasik mana pun dapat dibuktikan

Karya baru mengimplementasikan versi modifikasi dari skenario yang Kerenidis dan rekan-rekannya bayangkan. Dua pengguna dipertimbangkan dalam pekerjaan, Alice dan Bob. Alice memiliki satu set bola bernomor. Setiap bola memiliki warna acak, merah atau biru. Bob ingin tahu apakah sepasang bola tertentu yang dipilih secara acak akan memiliki warna yang sama atau berbeda. Alice ingin mengirimi Bob informasi sesedikit mungkin, menjamin jawaban atas pertanyaan Bob.

Tugas ini disebut "masalah pencocokan sampel". Solusinya memiliki implikasi untuk bidang kriptografi dan mata uang digital, di mana pengguna sering perlu bertukar informasi tanpa harus memberikan semua yang mereka miliki. Ini juga cocok untuk menunjukkan manfaat komunikasi kuantum.

"Anda tidak bisa hanya mengatakan," Saya ingin mengirimi Anda film, atau yang lain seukuran gigabyte, dan menyandikannya dalam keadaan kuantum "dan mengharapkan semacam keuntungan kuantum," kata Thomas Widick , seorang spesialis IT di California Institute of Technology. "Kita perlu mencari tugas yang lebih halus."

Untuk menyelesaikan masalah korespondensi secara klasik, Alice perlu mengirim informasi kepada Bob yang volumenya sebanding dengan akar kuadrat dari jumlah bola. Tetapi sifat informasi kuantum yang tidak biasa menawarkan solusi yang lebih efisien.



Dalam pengaturan laboratorium yang digunakan dalam pekerjaan baru, Alice dan Bob berkomunikasi menggunakan pulsa laser. Setiap impuls mewakili satu bola. Pulsa melewati pembagi berkas, mengirimkan setengah dari setiap pulsa ke Alice, dan setengah lainnya ke Bob. Ketika sebuah dorongan melewati Alice, ia dapat menggeser fase-nya untuk menyandikan informasi tentang setiap bola - biru atau merah.

Sementara itu, Bob mengkodekan informasi tentang pasangan bola yang menarik baginya dengan denyut nadinya sendiri. Kemudian pulsa bertemu di pembagi balok lain, mengganggu satu sama lain. Hasil dari interferensi mereka mencerminkan perbedaan dalam pergeseran fasa dari masing-masing pulsa. Bob kemudian dapat memeriksa pola interferensi menggunakan detektor foton.

Sampai Bob membaca pesan laser Alice, pesan kuantum Alice dapat menjawab pertanyaan tentang pasangan apa pun. Tetapi membaca menghancurkan pesan, dan memberikan informasi tentang hanya sepasang bola.

Karakteristik informasi kuantum ini - yang berpotensi dibaca dengan banyak cara, tetapi benar-benar hanya berhasil - secara drastis mengurangi jumlah informasi yang perlu dikirim untuk menyelesaikan masalah pencocokan sampel. Jika Alice perlu mengirim Bob 100 bit klasik untuk menjamin jawaban atas pertanyaannya, ia dapat mencapai hasil yang sama dengan 10 qubit, atau bit kuantum.

"Ini adalah salah satu hasil yang membuktikan ide untuk bekerja dalam rangka menciptakan jaringan kuantum nyata," kata Gray Smith , seorang ahli fisika di Institut Bersama untuk Laboratorium Astrofisika di Boulder, PC. Colorado bekerja dengan teknologi kuantum.

Eksperimen baru ini merupakan kemenangan murni atas metode klasik. Peneliti melakukannya, mengetahui persis berapa banyak informasi yang harus dikirim secara klasik untuk menyelesaikan masalah. Kemudian mereka membuktikan bahwa hal itu dapat dilakukan dengan lebih ekonomis menggunakan cara kuantum. "Pekerjaan ini bagus karena menunjukkan bagaimana orang berusaha menunjukkan bahwa tugas mereka sulit dilakukan secara klasik dan kemudian melakukannya," menggunakan metode kuantum, kata Smith.

Hasilnya juga menunjukkan adanya cara alternatif untuk mencapai tujuan lama ilmu komputer: bukti keunggulan komputer kuantum daripada yang klasik. "Keunggulan" kuantum ini sulit dibuktikan dalam domain komputasi murni, tetapi banyak masalah penting tidak hanya bergantung pada komputasi.

"Dengan menggabungkan apa yang dapat kita lakukan dengan kemampuan komputasi dan pengiriman pesan, menghubungkan dua area ini, akan lebih mudah bagi kita untuk membuktikan keberadaan keunggulan kuantum," kata Kerenidis.