量子通信允許某種類型的信息在傳播過(guò)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(jí)計(jì)算。

雖然量子計(jì)算機(jī)仍然是一個(gè)夢(mèng)想，但是量子通信的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。一項(xiàng)在巴黎進(jìn)行的新實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shì)的研究，”Eleni Diamanti說(shuō)，他是巴黎索邦大學(xué)的電氣工程師，同時(shí)也是這項(xiàng)研究的作者之一，其他共同作者包括巴黎狄德羅大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

量子機(jī)器——利用物質(zhì)的量子特性對(duì)信息進(jìn)行編碼——被廣泛認(rèn)為將給信息計(jì)算帶來(lái)革命性的變化。但量子機(jī)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(jì)算機(jī)原型的時(shí)候，理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家們卻遇到了一個(gè)更根本的障礙：他們無(wú)法證明經(jīng)典計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)都不能完成為量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)。例如，去年夏天，一位來(lái)自德克薩斯州的少年就證明了一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為只能在量子計(jì)算機(jī)上快速解決的問(wèn)題，也可以在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上被快速解決。

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

“很多人都研究過(guò)計(jì)算任務(wù)，但通信任務(wù)的一大優(yōu)點(diǎn)是量子的這些優(yōu)點(diǎn)是可證的。

2004年，Kerenidis和另外兩名計(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)想了這樣一個(gè)場(chǎng)景：一個(gè)人需要將信息發(fā)送給另一個(gè)人，這樣另一個(gè)人就可以回答特定的問(wèn)題。研究人員證明，量子裝置可以通過(guò)傳遞比經(jīng)典系統(tǒng)少得多的信息來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)，并且這種減少是指數(shù)級(jí)的減少。但他們?cè)O(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(shí)的技術(shù)水平。

“我們可以證明這種量子優(yōu)勢(shì)，但在當(dāng)時(shí)實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)量子協(xié)議，”Kerenidis說(shuō)。

Eleni Diamanti，Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar，他們構(gòu)建了一個(gè)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(xiàng)新的研究對(duì)Kerenidis和他的同事們?cè)O(shè)想的情景進(jìn)行了修改。該研究討論的問(wèn)題涉及兩個(gè)用戶，Alice和Bob。Alice有一組編號(hào)的球，每個(gè)球的顏色是隨機(jī)的紅色或藍(lán)色。Bob想知道任意挑選、或者既定的一對(duì)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(shí)又確保Bob能夠回答他的問(wèn)題。

這個(gè)問(wèn)題叫做“抽樣匹配問(wèn)題”。它對(duì)密碼學(xué)和數(shù)字貨幣也有影響，在這些問(wèn)題中，用戶通常希望交換信息，但又不會(huì)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(shì)。

加州理工學(xué)院(California Institute of Technology)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Thomas Vidick說(shuō)：“你不能說(shuō)我想要給你發(fā)一部一個(gè)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(shì)。要發(fā)現(xiàn)量子通信的優(yōu)勢(shì)必須要通過(guò)一些更微妙的任務(wù)?！?

解決這個(gè)匹配問(wèn)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(shí)驗(yàn)背景里，Alice和Bob通過(guò)激光脈沖進(jìn)行通信。每個(gè)脈沖代表一個(gè)球。脈沖通過(guò)一個(gè)分束器，分束器將每個(gè)脈沖的一半發(fā)送給Alice，另一半發(fā)送給Bob。當(dāng)一個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)Alice時(shí)，她可以移動(dòng)激光脈沖的相位來(lái)編碼每個(gè)球的信息。

與此同時(shí)，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(gè)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(gè)脈沖相位的移動(dòng)位置的不同。Bob可以依靠附近的光子探測(cè)器來(lái)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(duì)球的任何問(wèn)題。但在Bob讀取量子信息的過(guò)程中，他破壞了這種信息，所以只獲得了一對(duì)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(wèn)題所需要傳輸?shù)男畔⒘?。如果以往Alice需要給Bob發(fā)送100個(gè)經(jīng)典比特來(lái)確保他能回答他的問(wèn)題，那么現(xiàn)在Alice可以在10個(gè)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(shuō)：“如果你想建立一個(gè)真正的量子網(wǎng)絡(luò)，就必須進(jìn)行這種原理驗(yàn)證的東西?！?

這項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)通信方法的徹底碾壓。研究人員在實(shí)驗(yàn)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(gè)問(wèn)題，然后，他們無(wú)可爭(zhēng)議地證明了這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)量子手段以更簡(jiǎn)潔的方式解決。史密斯說(shuō)：“在這個(gè)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)長(zhǎng)期目標(biāo)的另一種途徑：證明量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。在純粹的計(jì)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(wèn)題不僅僅只取決于計(jì)算。

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