科學(xué)家首次證實(shí)量子通信優(yōu)于傳統(tǒng)信息傳輸方式

　　日前，據(jù)外媒報(bào)道，巴黎的一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)在解決抽樣匹配問題時(shí)首次證明了量子通信優(yōu)于傳統(tǒng)的信息傳輸方式。

　　據(jù)悉，量子機(jī)器是利用物質(zhì)的量子特性對信息進(jìn)行編碼，科學(xué)家普遍認(rèn)為它將徹底改變現(xiàn)有的計(jì)算科學(xué)，但這種研究發(fā)明進(jìn)展非常緩慢。工程師們一邊在努力打造基本的量子計(jì)算機(jī)，理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家這邊卻遭遇了一個(gè)根本性的障礙，即他們無法證明經(jīng)典計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無法完成量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)。

　　在2017年的夏天，就有一位美國德克薩斯州的少年證明了一個(gè)長期以來被認(rèn)為只有通過量子計(jì)算機(jī)才能快速解決的問題，可以通過經(jīng)典計(jì)算機(jī)快速解決。這一事件更是讓人們以為的量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性有所降低。

　　然而，好在通信領(lǐng)域中，量子方法的優(yōu)勢可以進(jìn)行證明。早在十幾年前，計(jì)算機(jī)科學(xué)家就證明了在理論上量子通信比傳統(tǒng)信息傳遞的方式要好。

　　這次舉行實(shí)驗(yàn)的研究項(xiàng)目就證明了量子在傳遞信息方面的優(yōu)勢所在。據(jù)悉，該項(xiàng)目的研究者包括巴黎索邦大學(xué)電氣工程師Eleni Diamanti、巴黎狄德羅大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

　　在2004年，Kerenidis和另外兩位計(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)想了這樣一種場景。就是一個(gè)人需要將信息發(fā)送給另一個(gè)人，這樣另一個(gè)就能夠回答特定的問題。研究人員證實(shí)量子裝置能夠通過比經(jīng)典通信系統(tǒng)更少的指數(shù)級信息去完成這項(xiàng)任務(wù)。但由于其設(shè)想的量子結(jié)構(gòu)是純理論的，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平并無法實(shí)現(xiàn)。

　　后來Kerenidis和他的同事將其設(shè)想的情景進(jìn)行了修改，研究討論的問題也涉及到了兩個(gè)用戶，愛麗絲和鮑勃。其中，愛麗絲有一組編號的球，每個(gè)球的顏色是隨機(jī)的紅色或者藍(lán)色，鮑勃想知道隨意選擇的一對球是相同的顏色或者不同的顏色。愛麗絲則希望盡可能少地向鮑勃發(fā)送信息，確保鮑勃能夠回答他的問題。

　　而如果要通過經(jīng)典通信的方式解決抽樣匹配問題，愛麗絲必須要向鮑勃發(fā)送與球數(shù)平方根成比例的信息，但是量子信息的非正統(tǒng)性使得更有效的解決方式成為可能。

　　在這次使用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中，愛麗絲和鮑勃通過激光脈沖進(jìn)行通信，每個(gè)脈沖代表一個(gè)球。脈沖會通過一個(gè)分束器，分束器會將每個(gè)脈沖的一半發(fā)送給愛麗絲，另一半發(fā)送給鮑勃。當(dāng)一個(gè)脈沖發(fā)送給愛麗絲時(shí)，她可以移動(dòng)激光脈沖的相位來編碼每個(gè)球的信息，無論是紅色的球還是藍(lán)色的球。

　　同時(shí)，鮑勃將他自己關(guān)心的兩對球信息編碼到他那一半的激光脈沖之中。隨后，這些脈沖匯聚到另一個(gè)分束器，在那里它們互相干擾。這兩組脈沖相互干擾的方式反映了每個(gè)脈沖的相位被移動(dòng)的方式。如此一來，鮑勃就能夠讀出附近光子探測器上的干涉圖樣。

　　而在鮑勃“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(guān)于任意一對球的任何問題。不過，讀取量子信息的過程中，鮑勃破壞了所有信息，所以只會獲得一對球的信息。

　　量子信息能夠以多種方式進(jìn)行讀取，但最終只能以一種方式讀取。這一特性極大的減少了為解決采樣匹配問題而需要傳輸?shù)男畔⒘俊＜偃鐞埯惤z需要給鮑勃發(fā)送100個(gè)經(jīng)典比特?cái)?shù)來確保他能夠回答出問題，那么，只需發(fā)送約10個(gè)量子位就能完成同樣的任務(wù)。