파리 연구실에서 연구자들은 정보를 전송하는 양자 방법이 고전 방법보다 우수하다는 것을 처음으로 보여주었습니다.
소개
양자컴퓨터는 아직 꿈이지만 양자통신 시대가 도래했다. 파리에서 실시된 새로운 실험에서는 양자 통신이 정보를 전송하는 기존 방식보다 우수하다는 사실이 처음으로 입증되었습니다.
"우리는 두 당사자가 유용한 작업을 수행하기 위해 공유해야 하는 전송된 정보에 대해 양자적 이점을 보여준 최초의 기업입니다."라고 소르본 대학의 전기 엔지니어이자 이번 결과의 공동 저자인 Eleni Diamanti는 Paris Diderot 대학의 컴퓨터 과학자인 Iordanis Kerenidis 및 Niraj Kumar와 함께 말했습니다.
정보를 인코딩하기 위해 물질의 양자 특성을 활용하는 양자 기계는 컴퓨팅에 혁명을 일으킬 것으로 널리 예상됩니다. 그러나 진전은 더뎠다. 엔지니어들이 기초적인 양자 컴퓨터를 구축하기 위해 노력하는 동안 이론적인 컴퓨터 과학자들은 더 근본적인 장애물에 직면했습니다. 그들은 고전 컴퓨터가 양자 컴퓨터가 설계된 작업을 결코 수행할 수 없다는 것을 증명할 수 없었습니다. 예를 들어, 지난 여름 텍사스 출신의 한 십대는 오랫동안 양자 컴퓨터에서만 빠르게 해결될 수 있다고 생각되었던 문제가 기존 컴퓨터에서도 빠르게 해결될 수 있음을 증명했습니다.
그러나 (계산이 아닌) 통신 영역에서 양자 접근 방식의 이점은 인증 가능합니다. 10여 년 전에 컴퓨터 과학자들은 적어도 이론적으로는 양자 통신이 특정 작업에 대해 메시지를 보내는 고전적인 방법을 능가한다는 것을 증명했습니다.
"대부분의 사람들은 컴퓨팅 작업을 살펴보았습니다. 한 가지 큰 장점은 의사소통 작업의 경우 장점이 입증 가능하다는 것입니다."라고 Kerenidis는 말했습니다.
2004년에 Kerenidis와 다른 두 명의 컴퓨터 과학자는 한 사람이 다른 사람에게 정보를 보내야 두 번째 사람이 특정 질문에 답할 수 있는 시나리오를 상상했습니다. 연구진은 양자 설정이 기존 시스템보다 기하급수적으로 적은 정보를 전송하여 작업을 수행할 수 있음을 증명했습니다. 그러나 그들이 상상한 양자 설정은 순전히 이론적인 것이었고 당시의 기술을 훨씬 뛰어넘는 것이었습니다.
케레니디스는 “이러한 양자 이점을 증명할 수 있었지만 실제로 양자 프로토콜을 구현하는 것은 어려웠다”고 말했다.
새로운 작업은 Kerenidis와 동료들이 구상한 시나리오의 수정된 버전을 수행합니다. 이 문서에서 다루는 질문에는 Alice와 Bob이라는 두 명의 사용자가 관련되어 있습니다. 앨리스는 번호가 매겨진 공 세트를 가지고 있습니다. 각 공은 무작위로 빨간색 또는 파란색으로 표시됩니다. Bob은 무작위로 선택한 특정 공 쌍이 같은 색인지 아니면 다른 색인지 알고 싶어합니다. Alice는 Bob이 질문에 답할 수 있도록 하면서 가능한 최소한의 정보를 Bob에게 보내기를 원합니다.
이 문제를 '샘플링 매칭 문제'라고 합니다. 이는 사용자가 자신이 알고 있는 모든 것을 반드시 공개하지 않고도 정보를 교환하기를 원하는 암호화 및 디지털 통화에 영향을 미칩니다. 또한 양자 통신의 이점을 입증하는 데에도 적합합니다.
캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 컴퓨터 과학자인 토마스 비딕(Thomas Vidick)은 “단순히 '1기가바이트짜리 영화나 무언가를 보내 양자 상태로 인코딩하고 싶다'라고 말하고 양자적 이점을 찾을 것이라고 기대할 수는 없습니다."라고 말했습니다. “더 미묘한 작업을 살펴봐야 합니다.”
고전적으로 일치 문제를 해결하기 위해 Alice는 공 수의 제곱근에 비례하는 양의 정보를 Bob에게 보내야 합니다. 하지만 양자 정보의 비정통적인 특성으로 인해 보다 효율적인 솔루션이 가능해졌습니다.
루시 리딩-Ikkanda/Quanta Magazine
새로운 작업에 사용된 실험실 설정에서 Alice와 Bob은 레이저 펄스를 통해 통신합니다. 각 펄스는 단일 공을 나타냅니다. 펄스는 빔 분할기를 통과하여 각 펄스의 절반은 Alice를 향해, 나머지 절반은 Bob을 향해 보냅니다. 펄스가 앨리스를 지나갈 때 앨리스는 레이저 펄스의 위상이라는 것을 이동하여 빨간색이든 파란색이든 각 공에 대한 정보를 인코딩할 수 있습니다.
한편 Bob은 관심 있는 공 쌍에 대한 정보를 레이저 펄스의 절반에 인코딩합니다. 그런 다음 펄스는 다른 빔 분할기로 수렴되어 서로 간섭합니다. 두 세트의 펄스가 서로 간섭하는 방식은 각 펄스의 위상이 이동되는 방식의 차이를 반영합니다. Bob은 근처 광자 탐지기의 간섭 패턴을 읽을 수 있습니다.
Bob이 Alice의 레이저 메시지를 "읽는" 순간까지 Alice의 양자 메시지는 모든 쌍에 대한 모든 질문에 답할 수 있습니다. 그러나 그는 양자 메시지를 읽는 과정에서 메시지를 파괴하고 단 한 쌍의 공에 대한 정보를 제공합니다.
여러 가지 방법으로 읽을 수 있는 잠재력을 가지고 있지만 궁극적으로 한 가지 방법으로만 읽을 수 있다는 양자 정보의 이러한 특성은 샘플링 일치 문제를 해결하기 위해 전송해야 하는 정보의 양을 극적으로 줄입니다. 앨리스가 밥에게 질문에 답할 수 있도록 100개의 클래식 비트를 보내야 한다면 약 10큐비트, 즉 양자 비트로 동일한 목표를 달성할 수 있습니다.
콜로라도주 볼더에 있는 JILA의 물리학자이자 양자 기술 분야에서 일하고 있는 Graeme Smith는 "이것은 실제 양자 네트워크를 구축하려는 경우 수행해야 하는 일종의 원리 증명 작업입니다."라고 말했습니다.
새로운 실험은 고전적인 방법에 대한 완전한 승리입니다. 연구자들은 문제를 해결하기 위해 얼마나 많은 정보가 고전적으로 전송되어야 하는지 정확히 알고 실험에 들어갔습니다. 그런 다음 그들은 양자적 수단을 통해 훨씬 더 간결한 방식으로 문제를 해결할 수 있음을 명백히 입증했습니다. "이 논문에서 사람들이 자신이 하고 있는 일이 고전적으로 어려운 일인지 확인하기 위해 실제로 좋은 노력을 하고, 그런 다음 양자 방법을 사용하여 어려운 일을 하는 것을 보는 것은 좋은 일입니다."라고 Smith는 말했습니다.
결과는 또한 컴퓨터 과학의 오랜 목표를 달성하기 위한 대안적인 경로를 제시합니다. 즉, 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터를 압도한다는 것을 증명하는 것입니다. 이러한 양자 "우월성"은 순수한 계산 영역에서는 확립하기 어려웠지만 많은 중요한 문제는 단순한 계산 이상의 문제에 달려 있습니다.
Kerenidis는 "우리가 할 수 있는 일을 컴퓨팅과 통신 능력으로 결합하면 양자적 이점을 더 쉽게 증명할 수 있을 것입니다."라고 Kerenidis는 말했습니다.
이 기사는 Wired.com과 Investigacionyciencia.es에서 스페인어로 재인쇄되었습니다.
