據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，量子計(jì)算機(jī)仍然是一個(gè)夢(mèng)想，但是量子通信的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。巴黎的一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)在解決抽樣匹配問(wèn)題時(shí)首次證明，量子通信優(yōu)于傳統(tǒng)的信息傳輸方式。
論文合著者，巴黎索邦大學(xué)電氣工程師Eleni Diamanti表示，“我們是第一個(gè)在雙方傳遞信息中顯示出量子優(yōu)勢(shì)的。”其合作者是巴黎狄德羅大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。
量子機(jī)器利用物質(zhì)的量子特性對(duì)信息進(jìn)行編碼，人們普遍認(rèn)為它將徹底改變現(xiàn)有的計(jì)算科學(xué)。但這種發(fā)明進(jìn)展緩慢。當(dāng)工程師們努力打造基本的量子計(jì)算機(jī)時(shí)，理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家們卻遇到了一個(gè)根本性障礙:他們無(wú)法證明經(jīng)典計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無(wú)法完成量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)。例如，在去年夏天，一位來(lái)自德克薩斯州的少年證明，一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為只能通過(guò)量子計(jì)算機(jī)快速解決的問(wèn)題，也可以通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)快速解決。
然而在通信領(lǐng)域，量子方法的好處可以得到證明。十多年前，計(jì)算機(jī)科學(xué)家證明，至少在理論上量子通信比傳統(tǒng)傳遞信息的方式要好。
“大多數(shù)人都在研究計(jì)算任務(wù)。我們研究的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)在于，在通信中使用量子方法的優(yōu)點(diǎn)是可以證明的。”Kerenidis如是指出。
2004年，Kerenidis和另外兩名計(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)想了這樣一個(gè)場(chǎng)景:一個(gè)人需要將信息發(fā)送給另一個(gè)人，這樣另一個(gè)人就可以回答特定的問(wèn)題。研究人員證實(shí)，量子裝置可以通過(guò)比經(jīng)典通信系統(tǒng)更少的指數(shù)級(jí)信息來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)。但是他們所設(shè)想的量子結(jié)構(gòu)是純理論的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平。
“我們可以證明這種量子優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)量子協(xié)議，”Kerenidis說(shuō)。
這項(xiàng)新研究對(duì)Kerenidis和他的同事們?cè)O(shè)想的情景進(jìn)行了修改。該研究討論的問(wèn)題涉及兩個(gè)用戶(hù)，愛(ài)麗絲和鮑勃。愛(ài)麗絲有一組編號(hào)的球。每個(gè)球的顏色是隨機(jī)的紅色或藍(lán)色。鮑勃想知道隨意挑選的一對(duì)球是相同的顏色還是不同的顏色。愛(ài)麗絲希望盡可能少地向鮑勃發(fā)送信息，同時(shí)仍然確保鮑勃能夠回答他的問(wèn)題。
這個(gè)問(wèn)題叫做“抽樣匹配問(wèn)題”。“它對(duì)密碼學(xué)和數(shù)字貨幣也有影響，在這些領(lǐng)域，用戶(hù)通常希望交換信息，而不必透露他們所知道的一切。它也非常適合展示量子通信的優(yōu)勢(shì)。”
加州理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)家托馬斯·維迪克(Thomas Vidick)說(shuō)，“你不能只是說(shuō)，‘我想給你發(fā)送一部電影或者一個(gè)千兆的東西并把它編成一個(gè)量子狀態(tài)’”，從而通過(guò)這種任務(wù)來(lái)找到量子通信的優(yōu)勢(shì)，“你必須關(guān)注更微妙的任務(wù)。”
若要通過(guò)經(jīng)典通信方式解決抽樣匹配問(wèn)題，愛(ài)麗絲必須向鮑勃發(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。
在新工作中使用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中，愛(ài)麗絲和鮑勃通過(guò)激光脈沖進(jìn)行通信。每個(gè)脈沖代表一個(gè)球。脈沖會(huì)通過(guò)一個(gè)分束器，分束器將每個(gè)脈沖的一半發(fā)送給愛(ài)麗絲，另一半發(fā)送給鮑勃。當(dāng)一個(gè)脈沖到達(dá)愛(ài)麗絲時(shí)，她可以移動(dòng)激光脈沖的相位來(lái)編碼每個(gè)球的信息——無(wú)論是紅球還是藍(lán)球。
與此同時(shí)，鮑勃將他所關(guān)心的兩對(duì)球信息編碼到他那一半的激光脈沖中。然后這些脈沖匯聚到另一個(gè)分束器中，在那里它們相互干擾。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。這樣一來(lái)，鮑勃可以讀出附近光子探測(cè)器上的干涉圖樣。
在鮑勃“讀取”愛(ài)麗絲的激光信息之前，愛(ài)麗絲的量子信息能夠回答關(guān)于任意一對(duì)球的任何問(wèn)題。但在讀取量子信息的過(guò)程中，鮑勃破壞了所有信息，只獲得了一對(duì)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。量子信息的這一特性極大減少了為解決采樣匹配問(wèn)題而需要傳輸?shù)男畔⒘俊Ｈ绻麗?ài)麗絲需要給鮑勃發(fā)送100個(gè)經(jīng)典比特?cái)?shù)來(lái)確保他能夠回答出問(wèn)題，那么只需要發(fā)送大約10個(gè)量子位就能完成同樣的任務(wù)。
科羅拉多州博爾德市美國(guó)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家、專(zhuān)門(mén)從事量子技術(shù)研究的格雷姆·史密斯(Graeme Smith)說(shuō)，“如果你想打造一個(gè)真正的量子網(wǎng)絡(luò)，這是你必須要做的原則性證明。”
這項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)是相比于經(jīng)典方法的徹底勝利。研究人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，確切知道要解決這個(gè)問(wèn)題需要傳遞多少經(jīng)典信息。然后他們無(wú)可爭(zhēng)議地證明，量子通信方法能夠以一種更精簡(jiǎn)的方式解決問(wèn)題。史密斯說(shuō):“在這篇論文中，我們很高興看到人們真的在努力證明用經(jīng)典通信方法來(lái)完成這件事是困難的，然后用量子方法完成了這件困難的事情。”
這一研究結(jié)果還提出了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)長(zhǎng)期目標(biāo)的另一種途徑:證明量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。這種量子“霸權(quán)”在純計(jì)算領(lǐng)域很難確立，但許多重要問(wèn)題不僅僅事取決于計(jì)算。
Kerenidis說(shuō):“將我們能做的與計(jì)算和通信能力這兩件事結(jié)合起來(lái)，將更容易證明量子優(yōu)勢(shì)。”
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