北京時(shí)間 12 月 27 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，量子計(jì)算機(jī)目前仍是一個(gè)夢(mèng)想，但量子通訊時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。近日在巴黎展開的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)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(wù)方面的優(yōu)勢(shì)。”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(bào)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(jì)算機(jī)科學(xué)家洛達(dá)尼斯·凱瑞尼迪斯(Lordanis Kerenidis)與尼拉杰·庫(kù)馬爾(Niraj Kumar)。

　　量子機(jī)器是一種利用物質(zhì)的量子特性進(jìn)行信息編碼的機(jī)器，人們普遍認(rèn)為，這種機(jī)器將使計(jì)算機(jī)發(fā)生革命性轉(zhuǎn)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(chǔ)量子計(jì)算機(jī)，而與此同時(shí)，理論計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)不可能完成量子計(jì)算機(jī)的任務(wù)。比如就在今年夏天，一位美國(guó)德克薩斯州的青少年證明，一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)一直被認(rèn)為只能由量子計(jì)算機(jī)快速解決的問題，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)其實(shí)也可以快速解決。

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

　　但在通訊領(lǐng)域，量子途徑的優(yōu)勢(shì)卻是板上釘釘?shù)氖聦?shí)。計(jì)算機(jī)科學(xué)家于十多年前證明，至少?gòu)睦碚搧?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(shì)。

　　“大多數(shù)人都只關(guān)注計(jì)算任務(wù)。但研究通訊任務(wù)的一大優(yōu)勢(shì)在于，量子途徑在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)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(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)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(dāng)時(shí)他們?cè)O(shè)想的量子裝置純停留在理論層面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平。

　　“我們當(dāng)時(shí)雖能證明量子通訊的優(yōu)勢(shì)，但很難真正加以應(yīng)用。”凱瑞尼迪斯說道。

　　而此次新研究對(duì)凱瑞迪尼斯等人設(shè)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(biāo)了數(shù)字的小球，每個(gè)球被隨機(jī)涂成紅色或藍(lán)色。B想知道隨機(jī)選出的一對(duì)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(gè)問題名叫“樣本匹配問題”(sampling matching problem)，對(duì)加密學(xué)和數(shù)字貨幣都有重要意義，因?yàn)橛脩敉朐诮粨Q信息的同時(shí)、盡量避免泄露其它信息。而該問題也很適合用來(lái)展現(xiàn)量子通訊的優(yōu)勢(shì)。

　　“你不能說‘我想給你發(fā)一部 1GB 的電影，現(xiàn)在我來(lái)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(shì)，”加州理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)家托馬斯·維迪克指出，“你要通過更微妙的任務(wù)來(lái)驗(yàn)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(gè)數(shù)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(yàn)室裝置中，A和B通過激光脈沖進(jìn)行溝通。每道脈沖代表一個(gè)小球。脈沖需要穿過一臺(tái)分光器，將一道脈沖一分為二，一半射向A，一半射向B。當(dāng)脈沖經(jīng)過A身邊時(shí)，A便可以改變?cè)摷す饷}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(duì)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(tái)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(diào)整。接下來(lái)，B就可以從附近的光子探測(cè)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(duì)小球相關(guān)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(guān)于一對(duì)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(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(dá)到同樣的目標(biāo)。

　　“要想打造真正的量子網(wǎng)絡(luò)，就要進(jìn)行這樣的概念驗(yàn)證。”美國(guó)實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所的量子技術(shù)專家格萊姆·史密斯(Graeme Smith)表示。

　　此次新實(shí)驗(yàn)明顯優(yōu)于經(jīng)典的證明方法。研究人員開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(wú)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(fèi)了很大工夫，先是確保他們所做的實(shí)驗(yàn)用經(jīng)典方法難以完成，再利用量子方法攻克這一難題。”

　　計(jì)算機(jī)科學(xué)界有一個(gè)久攻不下的目標(biāo)：證明量子計(jì)算機(jī)的確優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。而此次研究結(jié)果或許能為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)提供一條新途徑。這種量子“優(yōu)越性”在純計(jì)算領(lǐng)域或許難以證明，但除了計(jì)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(jì)算與通訊任務(wù)結(jié)合起來(lái)，便可更輕松地證明量子的優(yōu)勢(shì)。”凱瑞迪尼斯表示。
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