パリの研究室で、研究者らは情報を伝達する量子手法が古典的な手法よりも優れていることを初めて示した。
はじめに
量子コンピューターはまだ夢物語ですが、量子通信の時代が到来しています。パリで行われた新しい実験により、量子通信が古典的な情報伝達方法よりも優れていることが初めて実証されました。
「私たちは、有用なタスクを実行するために二者間で共有する必要がある送信情報の量子の利点を初めて示しました」と、ソルボンヌ大学の電気技師であり、パリ ディドロ大学のコンピューター科学者ヨルダニス ケレニディス氏およびニラジ クマール氏とともにこの結果の共著者であるエレニ ディアマンティ氏は述べています。
物質の量子特性を利用して情報をエンコードする量子マシンは、コンピューティングに革命をもたらすと広く期待されています。しかし進歩は遅かった。エンジニアが初歩的な量子コンピューターの構築に取り組んでいる一方で、理論コンピューター科学者は、より根本的な障害に直面しています。それは、量子コンピューターが設計されたタスクを古典コンピューターが実行できないことを証明できていないということです。たとえば、この夏、テキサス州の 10 代の若者は、長い間、量子コンピューターでのみ迅速に解決できると考えられていた問題が、古典的なコンピューターでも迅速に解決できることを証明しました。
ただし、(計算ではなく) 通信の領域では、量子アプローチの利点は証明可能です。 10 年以上前、コンピューター科学者たちは、少なくとも理論的には、量子通信が特定のタスクについてメッセージを送信する従来の方法よりも優れていることを証明しました。
「ほとんどの人は計算タスクに注目しています。大きな利点の 1 つは、通信タスクでは利点が証明できることです。」と Kerenidis 氏は言いました。
2004 年、ケレニディス氏と他の 2 人のコンピューター科学者は、ある人が特定の質問に答えるために、ある人が別の人に情報を送信する必要があるというシナリオを想像しました。研究者らは、量子セットアップが古典的なシステムよりも指数関数的に少ない情報を送信することでタスクを達成できることを証明しました。しかし、彼らが想像した量子セットアップは純粋に理論的なものであり、当時のテクノロジーをはるかに超えていました。
「この量子の利点を証明することはできましたが、実際に量子プロトコルを実装するのは困難でした」とケレニディス氏は言いました。
新しい研究では、ケレニディス氏らが想定したシナリオの修正版が実行される。この論文で取り上げられた質問には、アリスとボブという 2 人のユーザーが関与しています。アリスは番号の付いたボールのセットを持っています。各ボールはランダムに赤または青に色付けされます。ボブは、ランダムに選ばれた特定のボールのペアが同じ色であるか、異なる色であるかを知りたいと考えています。アリスは、ボブが質問に確実に答えられるようにしながら、できる限り最小限の情報をボブに送信したいと考えています。
この問題は「サンプリングマッチング問題」と呼ばれます。これは暗号化やデジタル通貨にも影響を及ぼします。ユーザーは多くの場合、知っていることをすべて明かす必要はなく、情報を交換したいと考えます。また、量子通信の利点を実証するのにも適しています。
カリフォルニア工科大学のコンピューター科学者トーマス・ヴィディック氏は、「『1ギガバイトの映画などを送り、それを量子状態にエンコードしたい』と言って量子の利点を期待することはできない」と述べた。 「もっと微妙なタスクに目を向ける必要があります。」
マッチング問題を古典的に解決するには、アリスはボールの数の平方根に比例する量の情報をボブに送信する必要があります。しかし、量子情報の型破りな性質により、より効率的なソリューションが可能になります。
Lucy Reading-Ikanda/Quanta Magazine
新作で使用される実験室のセットアップでは、アリスとボブはレーザーパルスを介して通信します。各パルスは単一のボールを表します。パルスはビーム スプリッターを通過し、各パルスの半分がアリスに、もう半分がボブに送信されます。パルスがアリスを通過するときに、彼女はレーザー パルスの位相と呼ばれるものをシフトして、赤か青かに関係なく、各ボールに関する情報をエンコードできます。
一方、ボブは、関心のあるボールのペアに関する情報をレーザー パルスの半分にエンコードします。次に、パルスは別のビーム スプリッターに収束し、そこで互いに干渉します。 2 組のパルスが互いに干渉する方法は、各パルスの位相がシフトされた方法の違いを反映しています。ボブは近くの光子検出器の干渉パターンを読み取ることができます。
ボブがアリスのレーザー メッセージを「読む」瞬間まで、アリスの量子メッセージはどのペアに関するどんな質問にも答えることができます。しかし、量子メッセージを読み取る行為の中で、彼はそれを破壊し、たった 1 組のボールに関する情報をもたらしました。
量子情報のこの特性、つまり多くの方法で読み取れる可能性を秘めているが、最終的には 1 つの方法でしか読み取れないという特徴により、サンプリング マッチング問題を解決するために送信する必要がある情報の量が大幅に削減されます。アリスがボブの質問に確実に答えるためにボブに 100 古典ビットを送信する必要がある場合、彼女は同じ目的を約 10 量子ビット、つまり量子ビットで達成できます。
「これは、本物の量子ネットワークを構築しようとしているなら、やらなければならない原理証明のようなものです」と、コロラド州ボルダーにある JILA の物理学者で、量子技術に取り組んでいるグレアム スミス氏は述べています。
新しい実験は、古典的な手法に対する完全な勝利です。研究者らは、問題を解決するために古典的にどれだけの情報を送信する必要があるかを正確に把握して実験に臨みました。その後、彼らは、それが量子手段によってはるかに無駄のない方法で解決できることを議論の余地なく実証しました。 「この論文では、人々が自分たちがやっていることが古典的に難しいことであることを確認するために真剣に努力し、その後、量子手法を使用して難しいことを実行しているのを見るのは素晴らしいことです」とスミス氏は言いました。
この結果はまた、量子コンピューターが古典的なコンピューターよりも君臨することを証明するという、コンピューターサイエンスにおける長年の目標を達成するための別のルートを示唆している。このような量子の「優位性」を純粋に計算の領域で確立することは困難ですが、多くの重要な問題は単なる計算以上のものに依存しています。
「コンピューティング能力と通信能力でできることを組み合わせ、この 2 つを組み合わせることで、量子の優位性を証明するのが容易になるでしょう」とケレニディス氏は述べました。
この記事は Wired.com およびスペイン語の Investigacionyciencia.es に転載されました。
