科學(xué)家首次證實(shí)量子通信優(yōu)于傳統信息傳輸方式

　　日前，據外媒報道，巴黎的一項新實(shí)驗在解決抽樣匹配問(wèn)題時(shí)首次證明了量子通信優(yōu)于傳統的信息傳輸方式。

　　據悉，量子機器是利用物質(zhì)的量子特性對信息進(jìn)行編碼，科學(xué)家普遍認為它將徹底改變現有的計算科學(xué)，但這種研究發(fā)明進(jìn)展非常緩慢。工程師們一邊在努力打造基本的量子計算機，理論計算機科學(xué)家這邊卻遭遇了一個(gè)根本性的障礙，即他們無(wú)法證明經(jīng)典計算機永遠無(wú)法完成量子計算機設計的任務(wù)。

　　在2017年的夏天，就有一位美國德克薩斯州的少年證明了一個(gè)長(cháng)期以來(lái)被認為只有通過(guò)量子計算機才能快速解決的問(wèn)題，可以通過(guò)經(jīng)典計算機快速解決。這一事件更是讓人們以為的量子計算機的優(yōu)越性有所降低。

　　然而，好在通信領(lǐng)域中，量子方法的優(yōu)勢可以進(jìn)行證明。早在十幾年前，計算機科學(xué)家就證明了在理論上量子通信比傳統信息傳遞的方式要好。

　　這次舉行實(shí)驗的研究項目就證明了量子在傳遞信息方面的優(yōu)勢所在。據悉，該項目的研究者包括巴黎索邦大學(xué)電氣工程師Eleni Diamanti、巴黎狄德羅大學(xué)計算機科學(xué)家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

　　在2004年，Kerenidis和另外兩位計算機科學(xué)家設想了這樣一種場(chǎng)景。就是一個(gè)人需要將信息發(fā)送給另一個(gè)人，這樣另一個(gè)就能夠回答特定的問(wèn)題。研究人員證實(shí)量子裝置能夠通過(guò)比經(jīng)典通信系統更少的指數級信息去完成這項任務(wù)。但由于其設想的量子結構是純理論的，在當時(shí)的技術(shù)水平并無(wú)法實(shí)現。

　　后來(lái)Kerenidis和他的同事將其設想的情景進(jìn)行了修改，研究討論的問(wèn)題也涉及到了兩個(gè)用戶(hù)，愛(ài)麗絲和鮑勃。其中，愛(ài)麗絲有一組編號的球，每個(gè)球的顏色是隨機的紅色或者藍色，鮑勃想知道隨意選擇的一對球是相同的顏色或者不同的顏色。愛(ài)麗絲則希望盡可能少地向鮑勃發(fā)送信息，確保鮑勃能夠回答他的問(wèn)題。

　　而如果要通過(guò)經(jīng)典通信的方式解決抽樣匹配問(wèn)題，愛(ài)麗絲必須要向鮑勃發(fā)送與球數平方根成比例的信息，但是量子信息的非正統性使得更有效的解決方式成為可能。

　　在這次使用的實(shí)驗室設置中，愛(ài)麗絲和鮑勃通過(guò)激光脈沖進(jìn)行通信，每個(gè)脈沖代表一個(gè)球。脈沖會(huì )通過(guò)一個(gè)分束器，分束器會(huì )將每個(gè)脈沖的一半發(fā)送給愛(ài)麗絲，另一半發(fā)送給鮑勃。當一個(gè)脈沖發(fā)送給愛(ài)麗絲時(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，無(wú)論是紅色的球還是藍色的球。

　　同時(shí)，鮑勃將他自己關(guān)心的兩對球信息編碼到他那一半的激光脈沖之中。隨后，這些脈沖匯聚到另一個(gè)分束器，在那里它們互相干擾。這兩組脈沖相互干擾的方式反映了每個(gè)脈沖的相位被移動(dòng)的方式。如此一來(lái)，鮑勃就能夠讀出附近光子探測器上的干涉圖樣。

　　而在鮑勃“讀取”愛(ài)麗絲的激光信息之前，愛(ài)麗絲的量子信息能夠回答關(guān)于任意一對球的任何問(wèn)題。不過(guò)，讀取量子信息的過(guò)程中，鮑勃破壞了所有信息，所以只會(huì )獲得一對球的信息。

　　量子信息能夠以多種方式進(jìn)行讀取，但最終只能以一種方式讀取。這一特性極大的減少了為解決采樣匹配問(wèn)題而需要傳輸的信息量。假如愛(ài)麗絲需要給鮑勃發(fā)送100個(gè)經(jīng)典比特數來(lái)確保他能夠回答出問(wèn)題，那么，只需發(fā)送約10個(gè)量子位就能完成同樣的任務(wù)。