北京時間 12 月 27 日消息，據(jù)國外媒體報道，量子計算機目前仍是一個夢想，但量子通訊時代已經(jīng)到來。近日在巴黎展開的一項實驗首次證實了量子通訊與傳統(tǒng)信息傳輸方式相比的優(yōu)越性。

　　“我們首次展示了量子通訊在傳播信息、幫助雙方執(zhí)行任務方面的優(yōu)勢。”巴黎索邦大學電子工程師伊萊妮·迪亞曼蒂(Eleni Diamanti)表示。她是此次研究報告的共同作者之一。參與該研究的科學家還包括巴黎第七大學計算機科學家洛達尼斯·凱瑞尼迪斯(Lordanis Kerenidis)與尼拉杰·庫馬爾(Niraj Kumar)。

　　量子機器是一種利用物質的量子特性進行信息編碼的機器，人們普遍認為，這種機器將使計算機發(fā)生革命性轉變。但相關進展一直十分緩慢。工程師們一直在努力打造基礎量子計算機，而與此同時，理論計算機科學家卻遇到了一個更根本性的障礙：他們無法證明經(jīng)典計算機永遠不可能完成量子計算機的任務。比如就在今年夏天，一位美國德克薩斯州的青少年證明，一個長時間以來一直被認為只能由量子計算機快速解決的問題，用經(jīng)典計算機其實也可以快速解決。

　　伊萊妮·迪亞曼蒂、洛達尼斯·凱瑞尼迪斯與尼拉杰·庫馬爾打造了一套量子通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對經(jīng)典通訊系統(tǒng)的優(yōu)勢可以得到證明。

　　但在通訊領域，量子途徑的優(yōu)勢卻是板上釘釘?shù)氖聦?。計算機科學家于十多年前證明，至少從理論來看，量子通訊在為特定任務發(fā)送信息方面具有明顯優(yōu)勢。

　　“大多數(shù)人都只關注計算任務。但研究通訊任務的一大優(yōu)勢在于，量子途徑在該領域的優(yōu)勢是可以得到證明的。”凱瑞迪尼斯指出。

　　2004 年，凱瑞迪尼斯與另外兩名計算機科學家設想了一個場景：某人需要向另一人發(fā)送信息，好讓后者回答某個特定問題。研究人員證明，采用量子裝置可以在完成任務的同時、大大減少需要傳送的信息量。但當時他們設想的量子裝置純停留在理論層面，遠遠超越了當時的技術水平。

　　“我們當時雖能證明量子通訊的優(yōu)勢，但很難真正加以應用。”凱瑞尼迪斯說道。

　　而此次新研究對凱瑞迪尼斯等人設想的場景做了一定改動。新場景中涉及兩個人，分別名為A和B。A有一組標了數(shù)字的小球，每個球被隨機涂成紅色或藍色。B想知道隨機選出的一對球是顏色相同還是不同。A希望在保證B能夠回答問題的前提下，發(fā)送的信息越少越好。

　　這個問題名叫“樣本匹配問題”(sampling matching problem)，對加密學和數(shù)字貨幣都有重要意義，因為用戶往往想在交換信息的同時、盡量避免泄露其它信息。而該問題也很適合用來展現(xiàn)量子通訊的優(yōu)勢。

　　“你不能說‘我想給你發(fā)一部 1GB 的電影，現(xiàn)在我來把它編碼成量子態(tài)’，然后指望從中發(fā)現(xiàn)量子的優(yōu)勢，”加州理工學院的計算機科學家托馬斯·維迪克指出，“你要通過更微妙的任務來驗證。”

　　如果以經(jīng)典方法解決上述問題，A需要發(fā)送給B的信息數(shù)量需要與小球個數(shù)的平方根成正比。但量子信息的奇異性質則為我們提供了一種效率更高的解決方案。

　　在此次新研究使用的實驗室裝置中，A和B通過激光脈沖進行溝通。每道脈沖代表一個小球。脈沖需要穿過一臺分光器，將一道脈沖一分為二，一半射向A，一半射向B。當脈沖經(jīng)過A身邊時，A便可以改變該激光脈沖的相位，將每個小球的顏色信息編入其中。

　　與此同時，B則會把他想了解的那幾對小球的信息編入他那一半激光脈沖中。這兩半脈沖隨即會在另一臺分光器處相交，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。兩組脈沖的干涉方式可以反映出每道脈沖的相位經(jīng)過了怎樣的調整。接下來，B就可以從附近的光子探測器上讀取到干涉條紋。直到B“讀到”A的激光信息那一刻之前，A的量子信息都可以解答與任何一對小球相關的任何問題。但就在B讀到該信息的一瞬間，他就破壞了這種量子狀態(tài)，只能讀取到關于一對小球的信息。

　　這就是量子信息的特征，它可以有多種潛在的被讀取方式，但最終只能以其中一種方式被讀取。這一特征可以顯著減少解決樣本匹配問題所需傳遞的信息數(shù)量。例如，要確保B能夠回答問題，A可能需要向B發(fā)送 100 個經(jīng)典比特的信息，但利用量子方法，只要發(fā)送 10 個量子比特就能達到同樣的目標。

　　“要想打造真正的量子網(wǎng)絡，就要進行這樣的概念驗證。”美國實驗天體物理聯(lián)合研究所的量子技術專家格萊姆·史密斯(Graeme Smith)表示。

　　此次新實驗明顯優(yōu)于經(jīng)典的證明方法。研究人員開展實驗時，很清楚需要用多少信息才能以經(jīng)典方式解決問題。然后他們以無可辯駁的方式證明，用量子途徑解決該問題明顯勝過傳統(tǒng)途徑。“我們很高興在這篇論文中看到，研究人員費了很大工夫，先是確保他們所做的實驗用經(jīng)典方法難以完成，再利用量子方法攻克這一難題。”

　　計算機科學界有一個久攻不下的目標：證明量子計算機的確優(yōu)于經(jīng)典計算機。而此次研究結果或許能為實現(xiàn)該目標提供一條新途徑。這種量子“優(yōu)越性”在純計算領域或許難以證明，但除了計算之外，還有許多值得解決的重要問題。

　　“如果把我們用量子方法能夠完成的計算與通訊任務結合起來，便可更輕松地證明量子的優(yōu)勢。”凱瑞迪尼斯表示。
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