北京時(shí)間 12 月 27 日消息，據國外媒體報道，量子計算機目前仍是一個(gè)夢(mèng)想，但量子通訊時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。近日在巴黎展開(kāi)的一項實(shí)驗首次證實(shí)了量子通訊與傳統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、幫助雙方執行任務(wù)方面的優(yōu)勢。”巴黎索邦大學(xué)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(xué)家還包括巴黎第七大學(xué)計算機科學(xué)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(zhì)的量子特性進(jìn)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(guān)進(jìn)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(shí)，理論計算機科學(xué)家卻遇到了一個(gè)更根本性的障礙：他們無(wú)法證明經(jīng)典計算機永遠不可能完成量子計算機的任務(wù)。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(gè)長(cháng)時(shí)間以來(lái)一直被認為只能由量子計算機快速解決的問(wèn)題，用經(jīng)典計算機其實(shí)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，該系統相對經(jīng)典通訊系統的優(yōu)勢可以得到證明。

　　但在通訊領(lǐng)域，量子途徑的優(yōu)勢卻是板上釘釘的事實(shí)。計算機科學(xué)家于十多年前證明，至少從理論來(lái)看，量子通訊在為特定任務(wù)發(fā)送信息方面具有明顯優(yōu)勢。

　　“大多數人都只關(guān)注計算任務(wù)。但研究通訊任務(wù)的一大優(yōu)勢在于，量子途徑在該領(lǐng)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(xué)家設想了一個(gè)場(chǎng)景：某人需要向另一人發(fā)送信息，好讓后者回答某個(gè)特定問(wèn)題。研究人員證明，采用量子裝置可以在完成任務(wù)的同時(shí)、大大減少需要傳送的信息量。但當時(shí)他們設想的量子裝置純停留在理論層面，遠遠超越了當時(shí)的技術(shù)水平。

　　“我們當時(shí)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(shuō)道。

　　而此次新研究對凱瑞迪尼斯等人設想的場(chǎng)景做了一定改動(dòng)。新場(chǎng)景中涉及兩個(gè)人，分別名為A和B。A有一組標了數字的小球，每個(gè)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(wèn)題的前提下，發(fā)送的信息越少越好。

　　這個(gè)問(wèn)題名叫“樣本匹配問(wèn)題”(sampling matching problem)，對加密學(xué)和數字貨幣都有重要意義，因為用戶(hù)往往想在交換信息的同時(shí)、盡量避免泄露其它信息。而該問(wèn)題也很適合用來(lái)展現量子通訊的優(yōu)勢。

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

　　如果以經(jīng)典方法解決上述問(wèn)題，A需要發(fā)送給B的信息數量需要與小球個(gè)數的平方根成正比。但量子信息的奇異性質(zhì)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(shí)驗室裝置中，A和B通過(guò)激光脈沖進(jìn)行溝通。每道脈沖代表一個(gè)小球。脈沖需要穿過(guò)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(guò)A身邊時(shí)，A便可以改變該激光脈沖的相位，將每個(gè)小球的顏色信息編入其中。

　　與此同時(shí)，B則會(huì )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(huì )在另一臺分光器處相交，產(chǎn)生干涉現象。兩組脈沖的干涉方式可以反映出每道脈沖的相位經(jīng)過(guò)了怎樣的調整。接下來(lái)，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(guān)的任何問(wèn)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(guān)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(zhù)減少解決樣本匹配問(wèn)題所需傳遞的信息數量。例如，要確保B能夠回答問(wèn)題，A可能需要向B發(fā)送 100 個(gè)經(jīng)典比特的信息，但利用量子方法，只要發(fā)送 10 個(gè)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(luò )，就要進(jìn)行這樣的概念驗證。”美國實(shí)驗天體物理聯(lián)合研究所的量子技術(shù)專(zhuān)家格萊姆·史密斯(Graeme Smith)表示。

　　此次新實(shí)驗明顯優(yōu)于經(jīng)典的證明方法。研究人員開(kāi)展實(shí)驗時(shí)，很清楚需要用多少信息才能以經(jīng)典方式解決問(wèn)題。然后他們以無(wú)可辯駁的方式證明，用量子途徑解決該問(wèn)題明顯勝過(guò)傳統途徑。“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(shí)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(xué)界有一個(gè)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(shí)現該目標提供一條新途徑。這種量子“優(yōu)越性”在純計算領(lǐng)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(wèn)題。

　　“如果把我們用量子方法能夠完成的計算與通訊任務(wù)結合起來(lái)，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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