科學家首次證實量子通訊優於傳統信息傳輸方式

日前，據外媒報道，巴黎的一項新實驗在解決抽樣匹配問題時首次證明了量子通信優於傳統的信息傳輸方式。

據悉，量子機器是利用物質的量子特性對信息進行編碼，科學家普遍認為它將徹底改變現有的計算科學，但這種研究發明進展非常緩慢。工程師們一邊在努力打造基本的量子計算機，理論計算機科學家這邊卻遭遇了一個根本性的障礙，即他們無法證明經典計算機永遠無法完成量子計算機設計的任務。

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長期以來被認為只有通過量子計算機才能快速解決的問題，可以通過經典計算機快速解決。這一事件更是讓人們以為的量子計算機的優越性有所降低。

然而，好在通信領域中，量子方法的優勢可以進行證明。早在十幾年前，計算機科學家就證明了在理論上量子通信比傳統信息傳遞的方式要好。

這次舉行實驗的研究項目就證明了量子在傳遞信息方面的優勢所在。據悉，該項目的研究者包括巴黎索邦大學電氣工程師Eleni Diamanti、巴黎狄德羅大學計算機科學家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

在2004年，Kerenidis和另外兩位計算機科學家設想了這樣一種場景。就是一個人需要將信息發送給另一個人，這樣另一個就能夠回答特定的問題。研究人員證實量子裝置能夠通過比經典通信系統更少的指數級信息去完成這項任務。但由於其設想的量子結構是純理論的，在當時的技術水平並無法實現。

後來Kerenidis和他的同事將其設想的情景進行了修改，研究討論的問題也涉及到了兩個用戶，愛麗絲和鮑勃。其中，愛麗絲有一組編號的球，每個球的顏色是隨機的紅色或者藍色，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。愛麗絲則希望儘可能少地向鮑勃發送信息，確保鮑勃能夠回答他的問題。

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

在這次使用的實驗室設置中，愛麗絲和鮑勃通過激光脈衝進行通信，每個脈衝代表一個球。脈衝會通過一個分束器，分束器會將每個脈衝的一半發送給愛麗絲，另一半發送給鮑勃。當一個脈衝發送給愛麗絲時，她可以移動激光脈衝的相位來編碼每個球的信息，無論是紅色的球還是藍色的球。

同時，鮑勃將他自己關心的兩對球信息編碼到他那一半的激光脈衝之中。隨後，這些脈衝匯聚到另一個分束器，在那裡它們互相干擾。這兩組脈衝相互干擾的方式反映了每個脈衝的相位被移動的方式。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於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採樣匹配問題而需要傳輸的信息量。假如愛麗絲需要給鮑勃發送100個經典比特數來確保他能夠回答出問題，那麼，只需發送約10個量子位就能完成同樣的任務。

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