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

　　“我們首次展示了量子通訊在傳播信息、幫助雙方執行任務方面的優勢。”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，該系統相對經典通訊系統的優勢可以得到證明。

　　但在通訊領域，量子途徑的優勢卻是板上釘釘的事實。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送信息方面具有明顯優勢。

　　“大多數人都只關注計算任務。但研究通訊任務的一大優勢在于，量子途徑在該領域的優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量子通訊的優勢。

　　“你不能說‘我想給你發一部 1GB 的電影，現在我來把它編碼成量子態’，然后指望從中發現量子的優勢，”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。”

　　如果以經典方法解決上述問題，A需要發送給B的信息數量需要與小球個數的平方根成正比。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，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量。例如，要確保B能夠回答問題，A可能需要向B發送 100 個經典比特的信息，但利用量子方法，只要發送 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絡，就要進行這樣的概念驗證。”美國實驗天體物理聯合研究所的量子技術專家格萊姆·史密斯(Graeme Smith)表示。

　　此次新實驗明顯優于經典的證明方法。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于經典計算機。而此次研究結果或許能為實現該目標提供一條新途徑。這種量子“優越性”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勢。”凱瑞迪尼斯表示。
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