Ein Meilenstein-Experiment hat gezeigt, dass Quantenversand schneller ist als der klassische

Ursprünglicher Autor: Kevin Hartnett
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Forscher im Pariser Labor zeigten zum ersten Mal, dass Quantenmethoden der Informationsübertragung besser sind als klassische.



Quantenkommunikation ermöglicht das Senden von Informationen eines bestimmten Typs mit exponentiell weniger Bits als für die klassische Kommunikation erforderlich:

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

"Wir waren die ersten, die bei der Informationsübertragung einen Quantenvorteil zeigten, den beide Seiten teilen müssen, um eine nützliche Aufgabe zu erfüllen", sagte Helen Diamanti , Elektroingenieurin an der Sorbonne, und Co-Autorin des Ergebnisses, das mit Iordanis Kerenides , einem Informatiker der Diderot University, erzielt wurde in Paris und mitNiraj Kumar .

Viele Experten erwarten, dass Quantenmaschinen, die die Quanteneigenschaften von Materie verwenden, um Informationen zu kodieren, die Welt des Computers auf den Kopf stellen werden. Der Fortschritt geht jedoch langsam voran. Ingenieure arbeiten hart daran, rudimentäre Quantencomputer zu entwickeln, und Spezialisten für theoretische Informatik stehen vor einem grundlegenderen Problem: Sie konnten nicht beweisen, dass klassische Computer niemals die Aufgaben bewältigen können, für die Quantencomputer entwickelt werden. Zum Beispiel hat ein Teenager aus Texas im letzten Sommer bewiesen, dass eine Aufgabe, die, wie bisher angenommen, nur auf einem Quantencomputer schnell gelöst wurde, schnell auf einem klassischen Computer gelöst werden kann.

Im Bereich der Kommunikation (und nicht im Rechnen) werden die Vorteile des Quantenansatzes jedoch bereits erkannt. Vor mehr als zehn Jahren hat ein Informatiker bewiesen, dass die Quantenkommunikation theoretisch den klassischen Methoden des Versendens von Nachrichten für bestimmte Aufgaben zumindest voraus ist.

„Die meisten Leute haben sich mit Rechenaufgaben beschäftigt. Der große Vorteil der Kommunikation ist, dass die Vorteile hier bewiesen werden können “, sagte Kerenides.

Im Jahr 2004 präsentierten Kerenides und zwei weitere Informatikspezialisten eine Aufgabe, bei der eine Person Informationen an eine andere senden muss, damit die zweite eine bestimmte Frage beantworten kann. Forscher haben bewiesen, dass eine Quanteninstallation dieses Problem lösen kann, indem sie eine exponentiell geringere Informationsmenge überträgt als im klassischen Fall. Aber die Installation, die sie erfunden hatten, war rein theoretisch und für die damalige Technologie nicht zugänglich.

"Wir konnten einen Quantenvorteil nachweisen, aber es war sehr schwierig, ein Quantenprotokoll wirklich zu implementieren", sagte Kerenides.




Helen und die Jungs: Diamanti, Kerenidis und Kumar schufen ein Quanteninformationsübertragungssystem, dessen Überlegenheit allen Klassikern nachgewiesen werden kann

Die neue Arbeit implementiert eine modifizierte Version des Szenarios, das sich Kerenides und seine Kollegen vorgestellt haben. Die Zeitung befasst sich mit zwei Benutzern, Alice und Bob. Alice hat eine Reihe von nummerierten Bällen. Jede Kugel 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 die kleinstmögliche Menge an Informationen senden, um eine Antwort auf Bobs Frage zu garantieren.

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

"Sie können nicht einfach sagen:" Ich möchte Ihnen einen Film oder etwas anderes in Gigabyte senden und ihn in einem Quantenzustand kodieren ", und erwarte einen Quantensprung," sagte Thomas Vidic , ein IT-Spezialist des California Institute of Technology. "Wir müssen nach subtileren Aufgaben suchen."

Um das Problem des klassischen Abgleichs zu lösen, muss Alice Informationen an Bob senden, deren Volumen proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Kugeln ist. Die ungewöhnliche Natur der Quanteninformation bietet jedoch eine effizientere Lösung.



In dem für den neuen Job verwendeten Laboraufbau kommunizieren Alice und Bob mithilfe von Laserpulsen. Jeder Impuls steht für eine Kugel. Die Impulse laufen durch einen Strahlteiler, wobei die Hälfte jedes Impulses an Alice und die andere Hälfte an Bob gesendet wird. Wenn der Impuls an Alice vorbeigeht, kann sie ihre Phase verschieben, um Informationen über jede Kugel zu codieren - blau oder rot.

Inzwischen verschlüsselt Bob Informationen über Paare von Kugeln, die ihn in seiner Hälfte des Impulses interessieren. Dann treten die Impulse in einem anderen Strahlteiler auf, die sich gegenseitig stören. Das Ergebnis ihrer Interferenz spiegelt die Unterschiede in der Phasenverschiebung jedes der Impulse wider. Bob kann dann das Interferenzmuster mit Photonendetektoren untersuchen.

Bis Bob Alices Lasernachricht liest, kann die Quantenbotschaft von Alice alle Fragen zu jedem Paar beantworten. Aber das Lesen zerstört die Nachricht und gibt Informationen über nur ein Paar Bälle heraus.

Diese Eigenschaft der Quanteninformation kann auf viele Arten gelesen werden, aber tatsächlich ist nur eine davon erfolgreich - die Menge an Informationen, die zur Lösung des Stichprobenproblems weitergeleitet werden müssen, wird drastisch reduziert. Wenn Alice Bob 100 klassische Bits senden muss, um eine Antwort auf ihre Frage zu garantieren, kann sie mit 10 Qubits oder Quantenbits dasselbe Ergebnis erzielen.

"Dies ist eines dieser Ergebnisse, die die Leistungsfähigkeit der Idee unter Beweis stellen, die Sie benötigen, um ein echtes Quantennetzwerk aufzubauen", sagte Gray Smith, Physiker des United Institute of Laboratory Astrophysics in der Stadt Boulder, Stck. Colorado, das mit Quantentechnologien arbeitet.

Dieses neue Experiment ist ein reiner Triumph über klassische Methoden. Die Forscher führten es durch und wussten genau, wie viele Informationen zur Lösung des Problems klassisch übertragen werden sollten. Dann haben sie unbestreitbar bewiesen, dass sie mit Quantenmitteln wesentlich wirtschaftlicher durchgeführt werden kann. "Diese Arbeit ist gut, weil sie zeigt, wie Menschen versuchen zu demonstrieren, dass ihre Aufgabe klassisch schwer zu bewerkstelligen ist, und dann tun sie es", sagte Smith.

Das Ergebnis zeigt auch das Vorhandensein alternativer Wege, um das alte Ziel der Informatik zu erreichen: Nachweis der Vorteile von Quantencomputern gegenüber klassischen. Diese Quanten- "Überlegenheit" war auf rein rechnerischem Gebiet schwer zu beweisen, aber viele wichtige Probleme hängen nicht nur von der Berechnung ab.

"Wenn wir kombinieren, was wir mit Rechenfähigkeiten und mit der Weitergabe von Nachrichten tun können, und diese beiden Richtungen miteinander verbinden, wird es uns leichter fallen, einen Quantenvorteil zu beweisen", sagte Kerenidis.

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