I computer quantistici sono ancora un sogno, ma è arrivata l'era delle comunicazioni quantistiche. Un nuovo esperimento, condotto a Parigi, ha dimostrato per la prima volta che la comunicazione quantistica è superiore ai metodi classici di trasmissione delle informazioni.
"Siamo stati i primi a dimostrare un vantaggio quantistico nel comunicare le informazioni di cui due parti hanno bisogno per completare un'attività", afferma Eleni Diamanti, ingegnere elettrico presso l'Università della Sorbona e coautore dello studio.
Ci si aspetta che le macchine quantistiche, che utilizzano le proprietà quantistiche della materia per codificare le informazioni, rivoluzioneranno il calcolo. Ma i progressi in questo settore sono stati estremamente lenti. Mentre gli ingegneri stanno lavorando per creare computer quantistici rudimentali, gli scienziati teorici hanno affrontato un ostacolo più fondamentale: non sono riusciti a dimostrare che i computer classici non possono mai completare i compiti per i quali sono progettati i computer quantistici. La scorsa estate, ad esempio, un ragazzo del Texas ha dimostrato che un problema che per molto tempo è stato considerato risolvibile solo su un computer quantistico può essere risolto rapidamente su un computer classico.
Benvenuti nell'era quantistica
Tuttavia, nel campo delle comunicazioni (non dei computer), i vantaggi dell'approccio quantistico possono essere confermati. Più di un decennio fa, gli scienziati hanno dimostrato che, almeno in teoria, la comunicazione quantistica è superiore ai modi classici di inviare messaggi per compiti specifici.
“Le persone erano principalmente impegnate in attività informatiche. Uno dei grandi vantaggi è che, nel caso delle attività di comunicazione, i vantaggi sono dimostrabili.
Nel 2004, Jordanis Kerenidis, coautore del lavoro di Diamanti, e altri due scienziati hanno presentato uno scenario in cui una persona aveva bisogno di inviare informazioni a un'altra in modo che una seconda persona potesse rispondere a una domanda specifica. I ricercatori hanno dimostrato che un circuito quantistico può svolgere un compito trasferendo meno informazioni in modo esponenziale rispetto a un sistema classico. Ma il circuito quantistico che hanno presentato era puramente teorico e molto al di là della tecnologia del giorno.
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"Siamo stati in grado di confermare questo vantaggio quantistico, ma è stato estremamente difficile implementare il protocollo quantistico", afferma Kerenidis.
Il nuovo lavoro è una versione modificata della sceneggiatura immaginata da Kerenidis e dai suoi colleghi. Come al solito, passiamo a due soggetti, Alice e Bob. Alice ha una serie di palline numerate. Ogni pallina è colorata in modo casuale in rosso o blu. Bob vuole sapere se una particolare coppia di palline, scelte a caso, hanno lo stesso colore o sono diverse. Alice vuole inviare a Bob il minor numero di informazioni possibile, assicurandosi che Bob possa rispondere alla sua domanda.
Questo problema viene definito "problema di corrispondenza dei modelli". È essenziale per la crittografia e le valute digitali, dove gli utenti spesso desiderano scambiare informazioni senza divulgare tutto ciò che sanno. Inoltre dimostra perfettamente i vantaggi della comunicazione quantistica.
Non puoi semplicemente dire che voglio inviarti un film o qualcosa delle dimensioni di un gigabyte e codificarlo in uno stato quantico, aspettandomi di trovare un vantaggio quantistico, dice Thomas Vidick, informatico presso il California Institute of Technology. "Dobbiamo considerare compiti più sottili".
Per la classica soluzione al problema di abbinamento, Alice deve inviare a Bob una quantità di informazioni proporzionale alla radice quadrata del numero di palline. Ma la natura insolita delle informazioni quantistiche rende possibile una soluzione più efficiente.
Nel circuito di laboratorio utilizzato nel nuovo lavoro, Alice e Bob comunicano utilizzando impulsi laser. Ogni impulso rappresenta una palla. Gli impulsi passano attraverso un divisore di raggio, che invia metà di ogni impulso ad Alice e Bob. Quando l'impulso raggiunge Alice, può spostare la fase dell'impulso laser per codificare le informazioni su ciascuna palla, a seconda del suo colore, rosso o blu.
Nel frattempo, Bob codifica le informazioni sulle coppie di sfere che lo interessano nella sua metà degli impulsi laser. Quindi gli impulsi convergono in un altro divisore di raggio, dove interferiscono tra loro. Lo schema di interferenza prodotto dagli impulsi riflette le differenze nel modo in cui le fasi di ciascun impulso sono state spostate. Bob può leggere lo schema di interferenza sul rilevatore di fotoni più vicino.
Fino al momento in cui Bob "legge" il messaggio laser di Alice, il messaggio quantistico di Alice è in grado di rispondere a qualsiasi domanda su qualsiasi coppia. Ma il processo di lettura del messaggio quantistico lo distrugge e Bob riceve informazioni su un solo paio di palline.
Questa proprietà dell'informazione quantistica - che può essere letta in una varietà di modi, ma alla fine solo uno la leggerà - riduce notevolmente la quantità di informazioni che possono essere trasmesse per risolvere il problema di corrispondenza del campione. Se Alice ha bisogno di inviare 100 bit classici a Bob in modo che possa rispondere alla sua domanda, può fare lo stesso compito con circa 10 qubit o bit quantistici.
Questa è la prova di principio di cui hai bisogno per creare una vera rete quantistica, afferma Graham Smith, fisico presso JILA a Boulder, in Colorado.
Il nuovo esperimento è un chiaro trionfo sui metodi classici. I ricercatori hanno iniziato l'esperimento sapendo esattamente quante informazioni dovevano essere trasmesse nel modo classico per risolvere il problema. Quindi hanno dimostrato in modo convincente che gli strumenti quantistici possono risolverlo in un modo più compatto.
Questo risultato offre anche un percorso alternativo a un obiettivo di lunga data dell'informatica: dimostrare che i computer quantistici sono superiori ai computer classici.
Ilya Khel
