Συμπιέζοντας την κβαντική πληροφορία. Putting the squeeze on quantum information

Researchers have shown that information stored in quantum bits can be exponentially compressed without losing information. The achievement is an important proof of principle, and could be useful for efficient quantum communications and information storage.

Ερευνητές του Ινστιτούτου Προηγμένης Έρευνας του Καναδά απέδειξαν πειραματικά πως η πληροφορία που είναι αποθηκευμένη σε κβαντικά μπιτ μπορεί να συμπιεστεί εκθετικά δίχως το περιεχόμενό της να υποστεί την παραμικρή απώλεια. Η ανακάλυψη μπορεί να βρει πολλές εφαρμογές στις μελλοντικές κβαντικές επικοινωνίες αλλά και στην αποθήκευση πληροφορίας.

Η συμπίεση αποτελεί ένα πολύ σημαντικό τμήμα των καθιερωμένων ψηφιακών επικοινωνιών που επηρεάζει στην καθημερινή μας ζωή, όπως για παράδειγμα τις εκατομμύρια τηλεφωνικές κλήσεις που μεταδίδονται κάθε στιγμή μέσω δορυφόρων, την κίνηση στο διαδίκτυο ή η χωρητικότητα του φορητού μας MP3 player.

A qubit (quantum bit) is the quantum state of a two-level quantum system. Credit: Courtesy of Clemens Adolphs

Στα κβαντικά συστήματα πληροφορικής, η πληροφορία αποθηκεύεται και επεξεργάζεται σε κβαντικά μπιτ (qubit). Ενώ τα καθιερωμένα μπιτ που χρησιμοποιούνται σήμερα μπορούν να λάβουν την τιμή 0 και 1, τα qubits εκμεταλλευόμενα τη κβαντική τους ιδιότητα μπορούν να βρίσκονται σε μία κατάσταση υπέρθεσης ή με άλλα λόγια ταυτόχρονα και στις δύο τιμές 0 και 1, γεγονός που ανοίγει  νέους ορίζοντες στην επιστήμη της πληροφορικής.

Το κρίσιμο στοιχείο στη συμπεριφορά του qubit είναι πως παραμένει στην κατάσταση υπέρθεσης για όσο δεν υφίσταται κάποια αλληλεπίδραση με τον εξωτερικό κόσμο, καθώς τη στιγμή που συμβαίνει αυτό η κυματοσυνάρτησή του καταρρέει και το qubit λαμβάβει άμεσα κάποια από τις τιμές 0 ή 1.

Παρόλο που η συμπίεση διαδραματίζει ένα σπουδαίο ρόλο στη μετάδοση και την αποθήκευση της πληροφορίας, δεν ήταν σαφής η δυνατότητα συμπίεσης της κβαντικής πληροφορίας, γεγονός που συνιστούσε ανασταλτικό παράγοντας στην εξέλιξη των κβαντικών υπολογιστών. Σύμφωνα όμως με τη νέα μελέτη που θα δημοσιευτεί στο επόμενο τεύχος του επιστημονικού περιοδικού Physical Review Letters αυτό είναι απολύτως εφικτό και μάλιστα με θεαματικά αποτελέσματα.

Στο πείραμα οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φωτόνια ως qubits τα οποία μπορούν να μεταφέρουν πληροφορία μέσω του σπιν τους μίας κβαντικής τους ιδιότητας που μπορεί να λάβει τις διακριτές τιμές πάνω και κάτω. Μέσω υπολογισμών κατάφεραν να αποδείξουν πως η πληροφορία που μεταφέρουν τρία qubits μπορεί να αποθηκευτεί πλήρως σε δύο qubits ενώ η διαδικασία συμπίεσης γίνεται στη συνέχεια εκθετική, αφού έδειξαν πως 10 qubits αρκούν για να αποθηκεύσουν τη συμπεριφορά 1.000 qubits και αντίστοιχα 20 qubits αρκούν για να περιγράψουν την κατάσταση ενός εκατομμυρίου qubits.

«Η εργασία αυτή ξεδιαλύνει μερικές από τις πιο σημαντικές διαφορές στην επεξεργασία της πληροφορίας στον κλασικό και τον κβαντικό κόσμο και επίσης υπόσχεται μία εκθετική μείωση της απαιτούμενης κβαντικής μνήμης για την εκπλήρωση διάφορων εργασιών», δήλωσε ο Εφραίμ Στάινμπεργκ, ερευνητής του πανεπιστημίου του Τορόντο.

Πηγή:  www.sciencedaily.com