Експеримент реалізує квантову перевагу в зберіганні даних із фотонним квантовим процесором

В останні роки квантові фізики та інженери намагаються розробити квантові комп’ютерні процесори, які працюють краще, ніж класичні комп’ютери на деяких завданнях. Однак переконливі демонстрації, що підтверджують, що квантові системи працюють краще, ніж їхні класичні аналоги (тобто реалізація квантової переваги) залишаються дефіцитними через різні експериментальні проблеми.

Дослідники з ключової лабораторії та криптографії Хенана та Національного центру базових наук SN Bose проводили експеримент, спрямований на встановлення квантової переваги елементарної квантової системи зберігання інформації.

Їх документ, опублікований у Листи фізичного оглядудемонструє, що один Qubit може перевершити класичний біт у зв’язку з комунікацією, який не передбачає жодної спільної випадковості (тобто класично корельованих випадкових змінних між комунікаційними сторонами).

“Квантові переваги є складними для виявлення, навіть важче продемонструвати експериментально і часто обмежуються фундаментальними теоремами без руху”,-сказав Геліанг Хуанг, старший автор статті, заявив Phys.org.

“For example, the Holevo and Frenkel-Weiner results equate the utility of a qubit (a two-level quantum system) to that of a classical bit for any classical communication task involving a single sender (Alice) and a single receiver (Bob). While these theorems impose strict limits on the capabilities of quantum resources, they assume the availability of pre-shared classical correlations between the sender and receiver—a resource that is сама дорога з інформаційно-теоретичної точки зору “.

Експеримент, проведений Хуангом та його колегами, був спрямований на визначення того, чи може Qubit перевершити класичний біт за відсутності класичної спільної випадковості, зокрема на класичному завданні на зберігання даних. Їх результати показують, що це так, що може спонукати дослідників переоцінити потенціал квантових систем у реалістичних сценаріях, коли ресурси обмежені.

“Загалом, наше дослідження сприяє постійному пошуку розуміння та використання некласичних властивостей квантових систем для завдань, що перевищують класичні межі”, – сказав Манік Банік, ще один старший автор статті. “Це являє собою значний крок до розблокування трансформаційного потенціалу квантових технологій у обробці та комунікації інформації.”

Щоб реалізувати квантову перевагу, викладену у своїй роботі, дослідники провели низку експериментів на фотонному квантовому процесорі. Для проведення цих експериментів вони спочатку розробили варіаційний трикутний поляриметр, оптичний інструмент, який може точно виміряти поляризацію світла.

Використовуючи цей інструмент, вони змогли зібрати позитивні вимірювання значення оператора (POVM) на фотонів. Ці вимірювання є важливими для розуміння квантових станів у присутності обмежень, таких як шум.

“Наш експеримент передбачав кодування інформації на квантові стани (кубіти) та передавання їх від одного агента в інший (тобто від Аліси до Боб), яка потім розшифровала інформацію, використовуючи наш полярметр, побудований на замовлення”,-пояснив Хуанг.

“Ми грали в ігровий теоретичний сценарій, відомий як” гра в ресторані “, де Боб повинен був вибрати ресторан для відвідування на основі отриманої квантової інформації, не відвідуючи закритий ресторан”.

Експеримент, проведений цими дослідниками, дав цікаві результати, оскільки вони припускають, що один кіт може насправді перевершити класичний біт у цьому завданні комунікації без спільної випадковості. Зокрема, цей висновок є суттєвим відходом від добре встановлених теорем без руху (тобто результати, які розміщували обмеження щодо того, що можна і не може бути досягнуто в контексті квантової теорії).

“Наше дослідження має наслідки для короткострокових квантових технологій, що забезпечує схему сертифікації, що не залежить від напівзахист, для систем декодування квантового кодування та ефективного методу завантаження інформації та передачі в квантових мережах”,-сказав Хуан.

“Він також говорить про те, що квантові системи можуть бути використані для покращення зберігання даних та спілкування в сценаріях, коли спільна випадковість недоступна або порушена.”

Результати, зібрані Хуангом та його колегами, можуть надихнути на повторні оцінки потенціалу елементарних квантових обчислювальних систем та їх продуктивності порівняно з класичними комп’ютерами. У своїх наступних дослідженнях дослідники планують вивчити квантову перевагу більших систем, зокрема, зосереджуючись на підвищенні масштабованості та ефективності їх експериментальної установки.

“Ми особливо зацікавлені в тому, щоб розширити свої висновки до багатопартійних квантових обчислень, квантової криптографії та квантових протоколів зв’язку, з метою забезпечення фундаменту для масштабних квантових мереж”,-сказав Хуан. “Можливість ефективно зберігати та передавати квантову інформацію є ключовою для реалізації цих мереж, і наша робота – це крок до цієї мети”.

Окрім проведення подальших експериментів з більшими квантовими системами, дослідники планують вивчити теоретичні аспекти квантових обчислювальних систем. Наприклад, вони хотіли б краще окреслити теоретичні основи квантової переваги та визначити, як їх можна використовувати в експериментальних умовах.

“Це включає вивчення взаємодії між квантовими ресурсами, такими як заплутування та нелокальність, та їх роль у покращенні класичних можливостей зберігання даних та обробки”, – додав Хуан. “Наша кінцева мета-не тільки просунути межі квантових технологій, але й зробити ці просування доступними та корисними для реальних програм.”

© 2024 Science X Network