量子通讯可以大大减少传递特定信息时所需的信息量

北京时间 12 月 27 日消息，据国外媒体报道，量子计算机目前仍是一个梦想，但量子通讯时代已经到来。近日在巴黎展开的一项实验首次证实了量子通讯与传统信息传输方式相比的优越性。

" 我们首次展示了量子通讯在传播信息、帮助双方执行任务方面的优势。" 巴黎索邦大学电子工程师伊莱妮 · 迪亚曼蒂（Eleni Diamanti）表示。她是此次研究报告的共同作者之一。参与该研究的科学家还包括巴黎第七大学计算机科学家洛达尼斯 · 凯瑞尼迪斯（Lordanis Kerenidis）与尼拉杰 · 库马尔（Niraj Kumar）。

量子机器是一种利用物质的量子特性进行信息编码的机器，人们普遍认为，这种机器将使计算机发生革命性转变。但相关进展一直十分缓慢。工程师们一直在努力打造基础量子计算机，而与此同时，理论计算机科学家却遇到了一个更根本性的障碍：他们无法证明经典计算机永远不可能完成量子计算机的任务。比如就在今年夏天，一位美国德克萨斯州的青少年证明，一个长时间以来一直被认为只能由量子计算机快速解决的问题，用经典计算机其实也可以快速解决。

伊莱妮 · 迪亚曼蒂、洛达尼斯 · 凯瑞尼迪斯与尼拉杰 · 库马尔打造了一套量子通讯系统，该系统相对经典通讯系统的优势可以得到证明。

但在通讯领域，量子途径的优势却是板上钉钉的事实。计算机科学家于十多年前证明，至少从理论来看，量子通讯在为特定任务发送信息方面具有明显优势。

" 大多数人都只关注计算任务。但研究通讯任务的一大优势在于，量子途径在该领域的优势是可以得到证明的。" 凯瑞迪尼斯指出。

2004 年，凯瑞迪尼斯与另外两名计算机科学家设想了一个场景：某人需要向另一人发送信息，好让后者回答某个特定问题。研究人员证明，采用量子装置可以在完成任务的同时、大大减少需要传送的信息量。但当时他们设想的量子装置纯停留在理论层面，远远超越了当时的技术水平。

" 我们当时虽能证明量子通讯的优势，但很难真正加以应用。" 凯瑞尼迪斯说道。

而此次新研究对凯瑞迪尼斯等人设想的场景做了一定改动。新场景中涉及两个人，分别名为 A 和 B。A 有一组标了数字的小球，每个球被随机涂成红色或蓝色。B 想知道随机选出的一对球是颜色相同还是不同。A 希望在保证 B 能够回答问题的前提下，发送的信息越少越好。

这个问题名叫 " 样本匹配问题 "（sampling matching problem），对加密学和数字货币都有重要意义，因为用户往往想在交换信息的同时、尽量避免泄露其它信息。而该问题也很适合用来展现量子通讯的优势。

" 你不能说‘我想给你发一部 1GB 的电影，现在我来把它编码成量子态’，然后指望从中发现量子的优势，" 加州理工学院的计算机科学家托马斯 · 维迪克指出，" 你要通过更微妙的任务来验证。"

如果以经典方法解决上述问题，A 需要发送给 B 的信息数量需要与小球个数的平方根成正比。但量子信息的奇异性质则为我们提供了一种效率更高的解决方案。

在此次新研究使用的实验室装置中，A 和 B 通过激光脉冲进行沟通。每道脉冲代表一个小球。脉冲需要穿过一台分光器，将一道脉冲一分为二，一半射向 A，一半射向 B。当脉冲经过 A 身边时，A 便可以改变该激光脉冲的相位，将每个小球的颜色信息编入其中。

与此同时，B 则会把他想了解的那几对小球的信息编入他那一半激光脉冲中。这两半脉冲随即会在另一台分光器处相交，产生干涉现象。两组脉冲的干涉方式可以反映出每道脉冲的相位经过了怎样的调整。接下来，B 就可以从附近的光子探测器上读取到干涉条纹。直到 B" 读到 "A 的激光信息那一刻之前，A 的量子信息都可以解答与任何一对小球相关的任何问题。但就在 B 读到该信息的一瞬间，他就破坏了这种量子状态，只能读取到关于一对小球的信息。

这就是量子信息的特征，它可以有多种潜在的被读取方式，但最终只能以其中一种方式被读取。这一特征可以显著减少解决样本匹配问题所需传递的信息数量。例如，要确保 B 能够回答问题，A 可能需要向 B 发送 100 个经典比特的信息，但利用量子方法，只要发送 10 个量子比特就能达到同样的目标。

" 要想打造真正的量子网络，就要进行这样的概念验证。" 美国实验天体物理联合研究所的量子技术专家格莱姆 · 史密斯（Graeme Smith）表示。

此次新实验明显优于经典的证明方法。研究人员开展实验时，很清楚需要用多少信息才能以经典方式解决问题。然后他们以无可辩驳的方式证明，用量子途径解决该问题明显胜过传统途径。" 我们很高兴在这篇论文中看到，研究人员费了很大工夫，先是确保他们所做的实验用经典方法难以完成，再利用量子方法攻克这一难题。"

计算机科学界有一个久攻不下的目标：证明量子计算机的确优于经典计算机。而此次研究结果或许能为实现该目标提供一条新途径。这种量子 " 优越性 " 在纯计算领域或许难以证明，但除了计算之外，还有许多值得解决的重要问题。

" 如果把我们用量子方法能够完成的计算与通讯任务结合起来，便可更轻松地证明量子的优势。" 凯瑞迪尼斯表示。（叶子）