據國外媒體報道，量子計算機仍然是一個夢想，但是量子通信的時代已經到來。巴黎的一項新實驗在解決抽樣匹配問題時首次證明，量子通信優于傳統的信息傳輸方式。

論文合著者，巴黎索邦大學電氣工程師Eleni Diamanti表示，“我們是第一個在雙方傳遞信息中顯示出量子優勢的。”其合作者是巴黎狄德羅大學計算機科學家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

量子機器利用物質的量子特性對信息進行編碼，人們普遍認為它將徹底改變現有的計算科學。但這種發明進展緩慢。當工程師們努力打造基本的量子計算機時，理論計算機科學家們卻遇到了一個根本性障礙:他們無法證明經典計算機永遠無法完成量子計算機設計的任務。例如，在去年夏天，一位來自德克薩斯州的少年證明，一個長期以來被認為只能通過量子計算機快速解決的問題，也可以通過經典計算機快速解決。

然而在通信領域，量子方法的好處可以得到證明。十多年前，計算機科學家證明，至少在理論上量子通信比傳統傳遞信息的方式要好。

“大多數人都在研究計算任務。我們研究的一個很大優勢在于，在通信中使用量子方法的優點是可以證明的。”Kerenidis如是指出。

2004年，Kerenidis和另外兩名計算機科學家設想了這樣一個場景:一個人需要將信息發送給另一個人，這樣另一個人就可以回答特定的問題。研究人員證實，量子裝置可以通過比經典通信系統更少的指數級信息來完成這項任務。但是他們所設想的量子結構是純理論的，遠遠超出了當時的技術水平。

“我們可以證明這種量子優勢，但實際上很難實現量子協議，”Kerenidis說。

這項新研究對Kerenidis和他的同事們設想的情景進行了修改。該研究討論的問題涉及兩個用戶，愛麗絲和鮑勃。愛麗絲有一組編號的球。每個球的顏色是隨機的紅色或藍色。鮑勃想知道隨意挑選的一對球是相同的顏色還是不同的顏色。愛麗絲希望盡可能少地向鮑勃發送信息，同時仍然確保鮑勃能夠回答他的問題。

這個問題叫做“抽樣匹配問題”。“它對密碼學和數字貨幣也有影響，在這些領域，用戶通常希望交換信息，而不必透露他們所知道的一切。它也非常適合展示量子通信的優勢。”

加州理工學院計算機科學家托馬斯·維迪克(Thomas Vidick)說，“你不能只是說，‘我想給你發送一部電影或者一個千兆的東西并把它編成一個量子狀態’”，從而通過這種任務來找到量子通信的優勢，“你必須關注更微妙的任務。”

若要通過經典通信方式解決抽樣匹配問題，愛麗絲必須向鮑勃發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。

在新工作中使用的實驗室設置中，愛麗絲和鮑勃通過激光脈沖進行通信。每個脈沖代表一個球。脈沖會通過一個分束器，分束器將每個脈沖的一半發送給愛麗絲，另一半發送給鮑勃。當一個脈沖到達愛麗絲時，她可以移動激光脈沖的相位來編碼每個球的信息——無論是紅球還是藍球。

與此同時，鮑勃將他所關心的兩對球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的相位被移動的方式。這樣一來，鮑勃可以讀出附近光子探測器上的干涉圖樣。

在鮑勃“讀取”愛麗絲的激光信息之前，愛麗絲的量子信息能夠回答關于任意一對球的任何問題。但在讀取量子信息的過程中，鮑勃破壞了所有信息，只獲得了一對球的信息。

量子信息能夠以多種方式進行讀取，但最終只能以一種方式讀取。量子信息的這一特性極大減少了為解決采樣匹配問題而需要傳輸的信息量。如果愛麗絲需要給鮑勃發送100個經典比特數來確保他能夠回答出問題，那么只需要發送大約10個量子位就能完成同樣的任務。

科羅拉多州博爾德市美國天體物理聯合實驗室物理學家、專門從事量子技術研究的格雷姆·史密斯(Graeme Smith)說，“如果你想打造一個真正的量子網絡，這是你必須要做的原則性證明。”

這項新實驗是相比于經典方法的徹底勝利。研究人員進入實驗，確切知道要解決這個問題需要傳遞多少經典信息。然后他們無可爭議地證明，量子通信方法能夠以一種更精簡的方式解決問題。史密斯說:“在這篇論文中，我們很高興看到人們真的在努力證明用經典通信方法來完成這件事是困難的，然后用量子方法完成了這件困難的事情。”

這一研究結果還提出了實現計算機科學長期目標的另一種途徑:證明量子計算機優于經典計算機。這種量子“霸權”在純計算領域很難確立，但許多重要問題不僅僅事取決于計算。

Kerenidis說:“將我們能做的與計算和通信能力這兩件事結合起來，將更容易證明量子優勢。”

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