O experimento de sinal mostrou que as mensagens quânticas são mais rápidas que as clássicas

Os pesquisadores de um laboratório de Paris mostraram pela primeira vez que os métodos quânticos de transmissão de informações são melhores que os métodos clássicos.

As comunicações quânticas permitem enviar informações de um determinado tipo usando exponencialmente menos bits do que o necessário para as comunicações clássicas

Os computadores quânticos ainda são um sonho, mas a era das comunicações quânticas já chegou. Um novo experimento em Paris pela primeira vez demonstrou que as comunicações quânticas são superiores aos métodos clássicos de transmissão de informações.

"Fomos os primeiros a mostrar uma vantagem quântica no campo da transferência de informações, que duas partes devem compartilhar para realizar uma tarefa útil", disse Helen Diamanti , engenheira elétrica da Sorbonne, e coautora do resultado, juntamente com Jordanis Kerenidis , especialista em ciência da computação na Universidade Didro em Paris e com Niraj Kumar .

Muitos especialistas esperam que as máquinas quânticas que usam as propriedades quânticas da matéria para codificar informações vire o mundo da computação de cabeça para baixo. Mas o progresso está se movendo lentamente. Os engenheiros estão trabalhando duro para criar computadores quânticos rudimentares, e os cientistas teóricos da computação enfrentaram um problema mais fundamental: não conseguiram provar que os computadores clássicos nunca conseguem lidar com as tarefas para as quais os quânticos são desenvolvidos. Por exemplo, no verão passado, um adolescente do Texas provou que um problema que, como se pensava anteriormente, pode ser resolvido rapidamente apenas em um computador quântico, pode ser resolvido rapidamente em um computador clássico.

No entanto, no campo das comunicações (em vez da computação), as vantagens da abordagem quântica já são reconhecidas. Mais de dez anos atrás, um cientista da computação provou que, pelo menos teoricamente, as comunicações quânticas estão à frente dos métodos clássicos de envio de mensagens no âmbito de determinadas tarefas.

“Na maioria das vezes, as pessoas analisaram problemas computacionais. A grande vantagem das comunicações é que você pode provar os benefícios ”, afirmou Kerenidis.

Em 2004, Kerenidis e dois outros especialistas em ciência da computação imaginaram uma tarefa na qual uma pessoa precisa enviar informações para outra, para que a segunda possa responder a uma pergunta específica. Os pesquisadores provaram que uma configuração quântica pode resolver esse problema transmitindo uma quantidade exponencialmente menor de informações do que no caso clássico. Mas a instalação que eles inventaram era puramente teórica e inacessível à tecnologia da época.

"Poderíamos provar uma vantagem quântica, mas era muito difícil implementar o protocolo quântico", disse Kerenidis.




Helen e os caras: Diamanti, Kerenidis e Kumar criaram um sistema quântico de transferência de informações, cuja superioridade sobre qualquer clássica pode ser comprovada

O novo trabalho implementa uma versão modificada do cenário que Kerenidis e seus colegas imaginaram. Dois usuários são considerados no trabalho, Alice e Bob. Alice tem um conjunto de bolas numeradas. Cada bola tem uma cor aleatória, vermelha ou azul. Bob quer saber se um determinado par de bolas selecionadas aleatoriamente terá a mesma cor ou a mesma cor. Alice deseja enviar a Bob o mínimo de informações possível, garantindo uma resposta à pergunta de Bob.

Essa tarefa é chamada de "problema de correspondência de amostra". Sua solução tem implicações para as áreas de criptografia e moedas digitais, onde os usuários geralmente precisam trocar informações sem precisar fornecer tudo o que possuem. Também é adequado para demonstrar os benefícios das comunicações quânticas.

"Você não pode simplesmente dizer:" Quero lhe enviar um filme, ou qualquer outra coisa do tamanho de um gigabyte, e codificá-lo em um estado quântico "e esperar algum tipo de vantagem quântica", disse Thomas Widick , especialista em TI do Instituto de Tecnologia da Califórnia. "Precisamos procurar tarefas mais sutis."

Para resolver o problema de correspondência classicamente, Alice precisa enviar informações para Bob, cujo volume é proporcional à raiz quadrada do número de bolas. Mas a natureza incomum das informações quânticas oferece uma solução mais eficiente.



Na configuração de laboratório usada no novo trabalho, Alice e Bob se comunicam usando pulsos de laser. Cada impulso representa uma bola. Os pulsos passam através de um divisor de feixe, enviando metade de cada pulso para Alice e a outra metade para Bob. Quando um impulso passa por Alice, ela pode mudar sua fase para codificar informações sobre cada bola - azul ou vermelha.

Enquanto isso, Bob codifica informações sobre pares de bolas que o interessam em seu próprio meio pulso. Então os pulsos se encontram em outro divisor de feixe, interferindo um no outro. O resultado de sua interferência reflete as diferenças na mudança de fase de cada um dos pulsos. Bob pode então examinar o padrão de interferência usando detectores de fótons.

Até que Bob leia a mensagem a laser de Alice, a mensagem quântica de Alice pode responder a qualquer pergunta sobre qualquer par. Mas a leitura destrói a mensagem e fornece informações sobre apenas um par de bolas.

Essa característica da informação quântica - que potencialmente pode ser lida de várias maneiras, mas que realmente é bem-sucedida - reduz drasticamente a quantidade de informação que precisa ser transmitida para resolver o problema de corresponder à amostra. Se Alice precisar enviar a Bob 100 bits clássicos para garantir uma resposta à sua pergunta, ela poderá obter o mesmo resultado com 10 qubits ou bits quânticos.

"Este é um desses resultados que provam que uma idéia funciona para você obter uma rede quântica real", disse Graham Smith , físico do Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratórios em Boulder, pc. Colorado trabalhando com tecnologia quântica.

Este novo experimento representa um triunfo puro sobre os métodos clássicos. Os pesquisadores o conduziram, sabendo exatamente quanta informação deve ser transmitida classicamente para resolver o problema. Então eles indiscutivelmente provaram que isso pode ser realizado muito mais economicamente usando meios quânticos. "Este trabalho é bom porque mostra como as pessoas tentam demonstrar que sua tarefa é difícil de executar classicamente e depois executá-la", usando métodos quânticos, disse Smith.

O resultado também sugere a existência de maneiras alternativas de alcançar o objetivo de longa data da ciência da computação: a prova das vantagens dos computadores quânticos sobre os clássicos. Foi difícil provar essa "superioridade" quântica em um domínio puramente computacional, mas muitos problemas importantes dependem não apenas da computação.

"Combinando o que podemos fazer com recursos de computação e mensagens, conectando essas duas áreas, será mais fácil provar a existência de uma vantagem quântica", disse Kerenidis.