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量子通信允許某種類型的信息在傳播過程中使用比傳統(tǒng)通信傳播少得多的比特，并且這種減少還以指數(shù)級計算。

雖然量子計算機仍然是一個夢想，但是量子通信的時代已經(jīng)到來。一項在巴黎進(jìn)行的新實驗首次證明，量子通信優(yōu)于傳統(tǒng)的信息傳輸方式。

“我們是第一個展示量子在傳播信息(這些信息發(fā)送和接受雙方都必須共享以完成任務(wù))方面的優(yōu)勢的研究，”Eleni Diamanti說，他是巴黎索邦大學(xué)的電氣工程師，同時也是這項研究的作者之一，其他共同作者包括巴黎狄德羅大學(xué)計算機科學(xué)家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

量子機器——利用物質(zhì)的量子特性對信息進(jìn)行編碼——被廣泛認(rèn)為將給信息計算帶來革命性的變化。但量子機器的進(jìn)展一直都相當(dāng)緩慢，當(dāng)工程師們努力建造量子計算機原型的時候，理論計算機科學(xué)家們卻遇到了一個更根本的障礙：他們無法證明經(jīng)典計算機永遠(yuǎn)都不能完成為量子計算機設(shè)計的任務(wù)。例如，去年夏天，一位來自德克薩斯州的少年就證明了一個長期以來被認(rèn)為只能在量子計算機上快速解決的問題，也可以在經(jīng)典計算機上被快速解決。

然而，在通信領(lǐng)域(而不是計算領(lǐng)域)，使用量子來進(jìn)行通信的好處是可以被證明的。早在十多年前，計算機科學(xué)家就已經(jīng)證明，至少在理論上，對于發(fā)送某些任務(wù)信息來說量子通信比傳統(tǒng)的通信方式要好。

“很多人都研究過計算任務(wù)，但通信任務(wù)的一大優(yōu)點是量子的這些優(yōu)點是可證的。

2004年，Kerenidis和另外兩名計算機科學(xué)家設(shè)想了這樣一個場景：一個人需要將信息發(fā)送給另一個人，這樣另一個人就可以回答特定的問題。研究人員證明，量子裝置可以通過傳遞比經(jīng)典系統(tǒng)少得多的信息來完成這項任務(wù)，并且這種減少是指數(shù)級的減少。但他們設(shè)想的量子裝置純粹是理論上的，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時的技術(shù)水平。

“我們可以證明這種量子優(yōu)勢，但在當(dāng)時實際上很難實現(xiàn)量子協(xié)議，”Kerenidis說。

Eleni Diamanti，Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar，他們構(gòu)建了一個量子通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)被證明優(yōu)于任何經(jīng)典系統(tǒng)。

而這項新的研究對Kerenidis和他的同事們設(shè)想的情景進(jìn)行了修改。該研究討論的問題涉及兩個用戶，Alice和Bob。Alice有一組編號的球，每個球的顏色是隨機的紅色或藍(lán)色。Bob想知道任意挑選、或者既定的一對球具有相同的顏色還是不同的顏色，Alice希望盡可能少地向Bob發(fā)送信息，但同時又確保Bob能夠回答他的問題。

這個問題叫做“抽樣匹配問題”。它對密碼學(xué)和數(shù)字貨幣也有影響，在這些問題中，用戶通常希望交換信息，但又不會透露他們所知道的一切，它也非常適合展示量子通信的優(yōu)勢。

加州理工學(xué)院(California Institute of Technology)的計算機科學(xué)家Thomas Vidick說：“你不能說我想要給你發(fā)一部一個G的電影或者其他東西，然后把它編碼成量子狀態(tài)，接著就想發(fā)現(xiàn)量子通信的在這方面的優(yōu)勢。要發(fā)現(xiàn)量子通信的優(yōu)勢必須要通過一些更微妙的任務(wù)。”

解決這個匹配問題的經(jīng)典方法是Alice必須向Bob發(fā)送與球的數(shù)量的平方根成比例的信息量。但是量子信息的創(chuàng)新性質(zhì)使得更有效的解決方法成為可能。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

在新研究中使用的實驗背景里，Alice和Bob通過激光脈沖進(jìn)行通信。每個脈沖代表一個球。脈沖通過一個分束器，分束器將每個脈沖的一半發(fā)送給Alice，另一半發(fā)送給Bob。當(dāng)一個脈沖經(jīng)過Alice時，她可以移動激光脈沖的相位來編碼每個球的信息。

與此同時，Bob將他關(guān)心的那些球的信息編碼到他那一半的激光脈沖中。然后這些脈沖匯聚到另一個分束器中，在那里它們相互干擾。這兩組脈沖相互干擾的方式反映了每個脈沖相位的移動位置的不同。Bob可以依靠附近的光子探測器來解讀脈沖的干涉圖樣。

在Bob“讀”到Alice的激光信息前，Alice的量子信息能夠回答關(guān)于任何一對球的任何問題。但在Bob讀取量子信息的過程中，他破壞了這種信息，所以只獲得了一對球的信息。

量子信息的這一特性(它具有被多種方式讀取的潛力，但最終只能以一種方式被讀取)極大地減少了為解決采樣匹配問題所需要傳輸?shù)男畔⒘?。如果以往Alice需要給Bob發(fā)送100個經(jīng)典比特來確保他能回答他的問題，那么現(xiàn)在Alice可以在10個量子比特或量子位內(nèi)完成同樣的目標(biāo)。

從事量子技術(shù)研究的科羅拉多州博爾德JILA的物理學(xué)家格雷姆·史密斯(Graeme Smith)說：“如果你想建立一個真正的量子網(wǎng)絡(luò)，就必須進(jìn)行這種原理驗證的東西。”

這項新實驗是對傳統(tǒng)通信方法的徹底碾壓。研究人員在實驗中確切地知道了使用傳統(tǒng)通信方式需要傳遞多少信息才能解決這個問題，然后，他們無可爭議地證明了這個問題可以通過量子手段以更簡潔的方式解決。史密斯說：“在這個研究中，我很高興可以看到人們真的很努力地去確保他們所做的事情在傳統(tǒng)意義上是困難的，然后再用量子方法去做這些困難的事情?！?

這一結(jié)果還提出了實現(xiàn)計算機科學(xué)長期目標(biāo)的另一種途徑：證明量子計算機優(yōu)于經(jīng)典計算機。在純粹的計算領(lǐng)域，這樣的量子“霸權(quán)”一直都很難建立，并且許多重要的問題不僅僅只取決于計算。

Kerenidis說：“將我們能做的與計算和通信能力結(jié)合起來，將更容易證明量子的優(yōu)勢。