Quantencomputer sind immer noch ein Traum, aber die Ära der Quantenkommunikation ist angebrochen. Ein neues Experiment, das in Paris durchgeführt wurde, zeigte zum ersten Mal, dass die Quantenkommunikation den klassischen Methoden der Informationsübertragung überlegen ist.
„Wir waren die ersten, die bei der Übermittlung von Informationen, die zwei Parteien zur Erfüllung einer Aufgabe benötigen, eine Quantenüberlegenheit bewiesen haben“, sagt Eleni Diamanti, Elektrotechniker an der Universität Sorbonne und Mitautor der Studie.
Von Quantenmaschinen, die die Quanteneigenschaften von Materie zur Codierung von Informationen verwenden, wird erwartet, dass sie das Rechnen revolutionieren. Die Fortschritte in diesem Bereich sind jedoch äußerst langsam. Während Ingenieure daran arbeiten, rudimentäre Quantencomputer zu entwickeln, standen theoretische Wissenschaftler vor einem grundlegenderen Hindernis: Sie konnten nicht beweisen, dass klassische Computer niemals die Aufgaben erfüllen können, für die Quantencomputer entwickelt wurden. Im vergangenen Sommer hat beispielsweise ein Mann aus Texas bewiesen, dass ein Problem, das lange Zeit nur auf einem Quantencomputer als lösbar galt, auf einem klassischen Computer schnell gelöst werden kann.
Willkommen im Quantenzeitalter
Im Bereich der Kommunikation (nicht der Datenverarbeitung) können die Vorteile des Quantenansatzes jedoch bestätigt werden. Vor mehr als einem Jahrzehnt haben Wissenschaftler bewiesen, dass die Quantenkommunikation zumindest theoretisch den klassischen Methoden zum Senden von Nachrichten für bestimmte Aufgaben überlegen ist.
„Die Leute waren hauptsächlich mit Computeraufgaben beschäftigt. Einer der großen Vorteile ist, dass bei Kommunikationsaufgaben die Vorteile nachweisbar sind."
Im Jahr 2004 stellten Jordanis Kerenidis, Co-Autor von Diamantis Werk, und zwei weitere Wissenschaftler ein Szenario vor, in dem eine Person Informationen an eine andere senden musste, damit eine zweite Person eine bestimmte Frage beantworten konnte. Forscher haben bewiesen, dass eine Quantenschaltung eine Aufgabe erfüllen kann, indem sie exponentiell weniger Informationen überträgt als ein klassisches System. Die von ihnen vorgestellte Quantenschaltung war jedoch rein theoretisch - und weit über die heutige Technologie hinaus.
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„Wir konnten diesen Quantenvorteil bestätigen, aber es war äußerst schwierig, das Quantenprotokoll zu implementieren“, sagt Kerenidis.
Die neue Arbeit ist eine modifizierte Version des von Kerenidis und seinen Kollegen geplanten Skripts. Wenden wir uns wie üblich zwei Themen zu, Alice und Bob. Alice hat einen Satz nummerierter Bälle. Jeder Ball ist zufällig rot oder blau gefärbt. Bob möchte wissen, ob ein bestimmtes Paar von Bällen, die zufällig ausgewählt wurden, dieselbe Farbe haben oder unterschiedlich sind. Alice möchte Bob so wenig Informationen wie möglich senden und gleichzeitig sicherstellen, dass Bob seine Frage beantworten kann.
Dieses Problem wird als "Mustervergleichsproblem" bezeichnet. Dies ist wichtig für Kryptografie und digitale Währungen, bei denen Benutzer häufig Informationen austauschen möchten, ohne alles preiszugeben, was sie wissen. Es zeigt auch perfekt die Vorteile der Quantenkommunikation.
Man kann nicht einfach sagen, dass ich Ihnen einen Film oder etwas in der Größe eines Gigabytes schicken und ihn in einen Quantenzustand kodieren möchte, in der Erwartung, einen Quantenvorteil zu finden, sagt Thomas Vidick, Informatiker am California Institute of Technology. "Wir müssen subtilere Aufgaben berücksichtigen."
Für die klassische Lösung des Matching-Problems muss Alice Bob eine Informationsmenge senden, die proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Bälle ist. Die ungewöhnliche Natur der Quanteninformation ermöglicht jedoch eine effizientere Lösung.
In der in der neuen Arbeit verwendeten Laborschaltung kommunizieren Alice und Bob über Laserpulse. Jeder Impuls repräsentiert eine Kugel. Die Impulse durchlaufen einen Strahlteiler, der die Hälfte jedes Impulses an Alice und Bob sendet. Wenn der Puls Alice erreicht, kann sie die Phase des Laserpulses verschieben, um Informationen über jede Kugel zu codieren - abhängig von ihrer Farbe, rot oder blau.
Währenddessen codiert Bob Informationen über die Kugelnpaare, die ihn interessieren, in seine Hälfte der Laserpulse. Dann konvergieren die Impulse in einem anderen Strahlteiler, wo sie sich gegenseitig stören. Das durch die Impulse erzeugte Interferenzmuster spiegelt Unterschiede in der Verschiebung der Phasen jedes Impulses wider. Bob kann das Interferenzmuster auf dem nächsten Photonendetektor lesen.
Bis zu dem Moment, in dem Bob Alices Lasernachricht "liest", kann Alices Quantennachricht jede Frage zu einem Paar beantworten. Aber das Lesen einer Quantennachricht zerstört sie und Bob erhält Informationen über nur ein Paar Bälle.
Diese Eigenschaft der Quanteninformation - dass sie auf verschiedene Arten gelesen werden kann, aber letztendlich nur von einer gelesen wird - reduziert die Informationsmenge, die zur Lösung des Stichprobenanpassungsproblems übermittelt werden kann, erheblich. Wenn Alice 100 klassische Bits an Bob senden muss, damit er seine Frage beantworten kann, kann sie dieselbe Aufgabe mit etwa 10 Qubits oder Quantenbits ausführen.
Dies ist der Beweis für das Prinzip, das Sie benötigen, um ein echtes Quantennetzwerk zu schaffen, sagt Graham Smith, Physiker bei JILA in Boulder, Colorado.
Das neue Experiment ist ein klarer Triumph über klassische Methoden. Die Forscher begannen das Experiment und wussten genau, wie viele Informationen auf klassische Weise übertragen werden mussten, um das Problem zu lösen. Dann haben sie überzeugend gezeigt, dass Quantenwerkzeuge es kompakter lösen können.
Dieses Ergebnis bietet auch einen alternativen Weg zu einem langjährigen Ziel in der Informatik: zu beweisen, dass Quantencomputer klassischen Computern überlegen sind.
Ilya Khel
