Квантовые компьютеры все еще остаются мечтой, но эпоха квантовых коммуникаций уже наступила. Новый эксперимент, проведенный в Париже, впервые показал, что квантовое сообщение превосходит классические методы передачи информации.

«Мы первыми продемонстрировали квантовый перевес в передаче информации, которая нужна двум сторонам для выполнения задачи», говори Элени Диаманти, инженер-электрик из Университета Сорбонны и соавтор исследования.

Ожидается, что квантовые машины — которые используют квантовые свойства материи для кодирования информации — произведут революцию в вычислительной технике. Но прогресс в этой области был крайне медленным. В то время как инженеры работают над созданием элементарных квантовых компьютеров, ученые-теоретики столкнулись с более фундаментальным препятствием: они не смогли доказать, что классические компьютеры никогда не смогут выполнить задачи, для которых предназначены квантовые компьютеры. Прошлым летом, например, парень из Техаса доказал, что проблема, которая долгое время считалась решаемой только на квантовом компьютере, может быть быстро решена и на классическом.

Добро пожаловать в квантовый век

Однако в области коммуникаций (а не вычислений) преимущества квантового подхода можно подтвердить. Более десяти лет назад ученые доказали, что, по крайней мере, теоретически, квантовая коммуникация превосходит классические способы отправки сообщений для определенных задач.

«Люди в основном занимались вычислительными задачами. Одним из больших плюсов является то, что в случае с коммуникационными задачами преимущества доказуемы».

В 2004 году Иорданис Керенидис, соавтор работы Диаманти, и еще двое ученых представили сценарий, в котором одному человеку нужно было отправить информацию другому, чтобы второй человек мог ответить на конкретный вопрос. Исследователи доказали, что квантовая схема может выполнить задачу, передавая экспоненциально меньше информации, чем классическая система. Но квантовая схема, которую они представили, была сугубо теоретической — и далеко за пределами технологий того времени.

«Мы смогли подтвердить это квантовое преимущество, но реализовать квантовый протокол было крайне сложно», говорит Керенидис.

Новая работа представляет собой измененную версию сценария, предусмотренного Керенидисом и его коллегами. Как обычно, обратимся к двум субъектам, Алисе и Бобу. У Алисы есть набор пронумерованных шариков. Каждый шар случайным образом окрашен в красный или синий цвет. Боб хочет знать, имеет ли конкретная пара шаров, выбранных случайным образом, один и тот же цвет, либо разные. Алиса хочет отправить Бобу наименьшее количество информации, которое только возможно, при этом гарантируя, что Боб сможет ответить на свой вопрос.

Эта проблема называется «проблемой сопоставления образцов». Она имеет важное значение для криптографии и цифровых валют, где пользователи часто хотят обмениваться информацией, не разглашая все, что они знают. Это также прекрасно демонстрирует преимущества квантовых коммуникаций.

Нельзя просто сказать: я хочу отправить вам фильм или что-то размером с гигабайт и закодировать его в квантовое состояние, ожидая найти квантовое преимущество, – считает Томас Видик, компьютерный ученый из Калифорнийского технологического института. – Нужно рассматривать более тонкие задачи».

Для классического решения проблемы сопоставления, Алиса должна отправить Бобу количество информации, пропорциональное квадратному корню из числа шаров. Но необычная природа квантовой информации делает возможным более эффективное решение.

В лабораторной схеме, которая используется в новой работе, Алиса и Боб общаются с помощью лазерных импульсов. Каждый импульс представляет собой один шар. Импульсы проходят через светоделитель, который посылает половину каждого импульса Алисе и Бобу. Когда импульс доходит до Алисы, она может сместить фазу лазерного импульса для кодирования информации о каждом шаре — в зависимости от его цвета, красного или синего.

Тем временем, Боб кодирует информацию о парах шаров, которые его интересуют, в свою половину лазерных импульсов. Затем импульсы сходятся в другом светоделителе, где интерферируют между собой. Картина интерференции, которая создается импульсами, отражает различия в том, как сдвигались фазы каждого импульса. Боб может прочитать картину интерференции на ближайшем детекторе фотонов.

До момента, когда Боб «прочитает» лазерное послание Алисы, квантовое сообщение Алисы способно ответить на любой вопрос о любой паре. Но процесс прочтения квантового сообщения уничтожает его и Боб получает информацию только об одной паре шаров.

Это свойство квантовой информации — что ее можно прочитать разными способами, но в конечном итоге она будет прочитана только одним — значительно сокращает объем информации, которую можно передать для решения проблемы сопоставления выборки.

Если Алисе нужно отправить Бобу 100 классических битов, чтобы он смог ответить на свой вопрос, она может выполнить ту же задачу примерно с 10 кубитами, или квантовыми битами.

Именно такое доказательство принципа вам необходимо для создания настоящей квантовой сети, – полагает Грэм Смит, физик из JILA в Боулдере, штат Колорадо.

Новый эксперимент — однозначный триумф над классическими методами. Исследователи начали эксперимент, точно зная, сколько информации необходимо передать классическим путем для решения проблемы. Затем они убедительно продемонстрировали, что квантовые средства позволяют решить ее более компактно. Этот результат также предлагает альтернативный маршрут для достижения давней цели в информатике: доказательство того, что квантовые компьютеры превосходят классические.