Experiment realizes quantum advantage in data storage with a photonic quantum processor
Une expérience révèle l'avantage quantique dans le stockage de données avec un processeur quantique photonique
par Ingrid Fadelli , Phys.org
Un nouveau protocole de communication quantique permet à un qubit de surpasser un bit classique en termes de capacité de stockage de données classiques. Crédit : Ding et al.
Ces dernières années, les physiciens et ingénieurs quantiques ont essayé de développer des processeurs d'ordinateurs quantiques plus performants que les ordinateurs classiques sur certaines tâches. Pourtant, les démonstrations concluantes prouvant que les systèmes quantiques fonctionnent mieux que leurs homologues classiques (c'est-à-dire les réalisations d'un avantage quantique) restent rares, en raison de divers défis expérimentaux.
Des chercheurs du Henan Key Laboratory of Quantum Information and Cryptography et du S. N. Bose National Center for Basic Sciences ont mené une expérience visant à établir l'avantage quantique d'un système quantique élémentaire pour le stockage d'informations.
Leur article, publié dans Physical Review Letters, démontre qu'un qubit unique peut surpasser un bit classique dans une tâche de communication qui n'implique aucun caractère aléatoire partagé (c'est-à-dire des variables aléatoires corrélées de manière classique entre les parties communicantes).
« Les avantages quantiques sont difficiles à identifier, encore plus difficiles à démontrer expérimentalement, et souvent limités par des théorèmes fondamentaux d'interdiction », a déclaré Heliang Huang, auteur principal de l'article, à Phys.org.
« Par exemple, les résultats de Holevo et Frenkel-Weiner assimilent l'utilité d'un qubit (un système quantique à deux niveaux) à celle d'un bit classique pour toute tâche de communication classique impliquant un seul émetteur (Alice) et un seul récepteur (Bob). Bien que ces théorèmes imposent des limites strictes aux capacités des ressources quantiques, ils supposent la disponibilité de corrélations classiques pré-partagées entre l'émetteur et le récepteur, une ressource qui est elle-même coûteuse d'un point de vue théorique de l'information. »
L'expérience menée par Huang et ses collègues visait à déterminer si un qubit peut surpasser un bit classique en l'absence de hasard partagé classique, en particulier sur une tâche classique de stockage de données. Leurs résultats montrent que c'est le cas, ce qui pourrait inciter les chercheurs à réévaluer le potentiel des systèmes quantiques dans des scénarios réalistes où les ressources sont plus limitées.
"Plus généralement, notre étude contribue à la poursuite continue de la compréhension et de l'exploitation des propriétés non classiques des systèmes quantiques pour des tâches qui dépassent les limites classiques", a déclaré Manik Banik, un autre auteur principal de l'article. "Elle représente une étape importante vers la libération du potentiel transformateur des technologies quantiques dans le traitement de l'information et la communication."
Pour tirer parti de l'avantage quantique décrit dans leur article, les chercheurs ont mené une série d'expériences sur un processeur quantique photonique. Pour mener ces expériences, ils ont d'abord développé un polarimètre triangulaire variationnel, un instrument optique capable de mesurer précisément la polarisation de la lumière.
À l'aide de cet instrument, ils ont pu collecter des mesures de valeur d'opérateur positive (POVM) sur les photons. Ces mesures sont essentielles pour comprendre les états quantiques en présence de contraintes telles que le bruit.
« Notre expérience consistait à coder des informations sur des états quantiques (qubits) et à les transmettre d'un agent à un autre (c'est-à-dire d'Alice à Bob), qui décodait ensuite les informations à l'aide de notre polarimètre sur mesure », explique Huang.
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"Nous avons joué à un scénario de théorie des jeux connu sous le nom de "jeu du restaurant", dans lequel Bob devait choisir un restaurant à visiter en fonction des informations quantiques reçues, sans visiter un restaurant fermé."
L'expérience menée par ces chercheurs a donné des résultats intéressants, car ils suggèrent qu'un seul qubit peut en fait surpasser un bit classique dans cette tâche de communication sans partage aléatoire. Notamment, cette découverte constitue un écart significatif par rapport aux théorèmes de non-accès bien établis (c'est-à-dire des résultats qui imposaient des limites à ce qui peut et ne peut pas être réalisé dans le contexte de la théorie quantique).
"Notre étude a des implications pour les technologies quantiques à court terme, en fournissant un système de certification semi-indépendant des appareils pour les systèmes de codage-décodage quantiques et une méthode efficace pour le chargement et la transmission d'informations dans les réseaux quantiques", a déclaré Huang.
"Elle suggère également que les systèmes quantiques pourraient être utilisés pour améliorer le stockage et la communication des données dans des scénarios où le partage aléatoire n'est pas disponible ou est compromis."
Les résultats obtenus par Huang et ses collègues pourraient inspirer une réévaluation du potentiel des systèmes informatiques quantiques élémentaires et de leurs performances par rapport à celles des ordinateurs classiques. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'explorer l'avantage quantique des systèmes plus grands, en se concentrant spécifiquement sur l'amélioration de l'évolutivité et de l'efficacité de leur configuration expérimentale.
« Nous souhaitons particulièrement étendre nos découvertes à l'informatique quantique multipartite, à la cryptographie quantique et aux protocoles de communication quantique, dans le but de fournir une base pour les réseaux quantiques à grande échelle », a déclaré Huang. « La capacité de stocker et de transmettre efficacement des informations quantiques est essentielle à la réalisation de ces réseaux, et notre travail est un pas vers cet objectif. »
En plus de mener d'autres expériences avec des systèmes quantiques plus grands, les chercheurs prévoient d'explorer les aspects théoriques des systèmes informatiques quantiques. Par exemple, ils aimeraient mieux délimiter les fondements théoriques de l'avantage quantique et déterminer comment ceux-ci peuvent être exploités dans des contextes expérimentaux.
« Cela comprend l'étude de l'interaction entre les ressources quantiques, telles que l'intrication et la non-localité, et leur rôle dans l'amélioration des capacités de stockage et de traitement des données classiques », a ajouté Huang. « Notre objectif ultime est non seulement de repousser les limites de la technologie quantique, mais aussi de faire en sorte que ces avancées soient efficaces.
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COMMENTAIRES
Je m étonne de l acharnement a rechercher l usage des qbits pour ces ordinateurs quantiques ; le but dun tel resultat reste pour moi entaché d une preobabilite plus grande d 'erreurs
et de bruit .Pourquoi calculer plus vite si le risque de se tromper est plus grand ....????? !!!!!!
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More information: Chen Ding et al, Quantum Advantage: A Single Qubit's Experimental Edge in Classical Data Storage, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.200201. On arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2403.02659
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
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