量子通信允許某種類型的信息在傳(chuan) 播過程中使用比傳(chuan) 統通信傳(chuan) 播少得多的比特，並且這種減少還以指數級計算。

雖然量子計算機仍然是一個(ge) 夢想，但是量子通信的時代已經到來。一項在巴黎進行的新實驗首次證明，量子通信優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統的信息傳(chuan) 輸方式。

“我們(men) 是第一個(ge) 展示量子在傳(chuan) 播信息(這些信息發送和接受雙方都必須共享以完成任務)方麵的優(you) 勢的研究，”Eleni Diamanti說，他是巴黎索邦大學的電氣工程師，同時也是這項研究的作者之一，其他共同作者包括巴黎狄德羅大學計算機科學家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

量子機器——利用物質的量子特性對信息進行編碼——被廣泛認為(wei) 將給信息計算帶來革命性的變化。但量子機器的進展一直都相當緩慢，當工程師們(men) 努力建造量子計算機原型的時候，理論計算機科學家們(men) 卻遇到了一個(ge) 更根本的障礙：他們(men) 無法證明經典計算機永遠都不能完成為(wei) 量子計算機設計的任務。例如，去年夏天，一位來自德克薩斯州的少年就證明了一個(ge) 長期以來被認為(wei) 隻能在量子計算機上快速解決(jue) 的問題，也可以在經典計算機上被快速解決(jue) 。

然而，在通信領域(而不是計算領域)，使用量子來進行通信的好處是可以被證明的。早在十多年前，計算機科學家就已經證明，至少在理論上，對於(yu) 發送某些任務信息來說量子通信比傳(chuan) 統的通信方式要好。

“很多人都研究過計算任務，但通信任務的一大優(you) 點是量子的這些優(you) 點是可證的。

2004年，Kerenidis和另外兩(liang) 名計算機科學家設想了這樣一個(ge) 場景：一個(ge) 人需要將信息發送給另一個(ge) 人，這樣另一個(ge) 人就可以回答特定的問題。研究人員證明，量子裝置可以通過傳(chuan) 遞比經典係統少得多的信息來完成這項任務，並且這種減少是指數級的減少。但他們(men) 設想的量子裝置純粹是理論上的，並且遠遠超出了當時的技術水平。

“我們(men) 可以證明這種量子優(you) 勢，但在當時實際上很難實現量子協議，”Kerenidis說。

Eleni Diamanti，Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar，他們(men) 構建了一個(ge) 量子通信係統，該係統被證明優(you) 於(yu) 任何經典係統。

而這項新的研究對Kerenidis和他的同事們(men) 設想的情景進行了修改。該研究討論的問題涉及兩(liang) 個(ge) 用戶，Alice和Bob。Alice有一組編號的球，每個(ge) 球的顏色是隨機的紅色或藍色。Bob想知道任意挑選、或者既定的一對球具有相同的顏色還是不同的顏色，Alice希望盡可能少地向Bob發送信息，但同時又確保Bob能夠回答他的問題。

這個(ge) 問題叫做“抽樣匹配問題”。它對密碼學和數字貨幣也有影響，在這些問題中，用戶通常希望交換信息，但又不會(hui) 透露他們(men) 所知道的一切，它也非常適合展示量子通信的優(you) 勢。

加州理工學院(California Institute of Technology)的計算機科學家Thomas Vidick說：“你不能說我想要給你發一部一個(ge) G的電影或者其他東(dong) 西，然後把它編碼成量子狀態，接著就想發現量子通信的在這方麵的優(you) 勢。要發現量子通信的優(you) 勢必須要通過一些更微妙的任務。”

解決(jue) 這個(ge) 匹配問題的經典方法是Alice必須向Bob發送與(yu) 球的數量的平方根成比例的信息量。但是量子信息的創新性質使得更有效的解決(jue) 方法成為(wei) 可能。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

在新研究中使用的實驗背景裏，Alice和Bob通過激光脈衝(chong) 進行通信。每個(ge) 脈衝(chong) 代表一個(ge) 球。脈衝(chong) 通過一個(ge) 分束器，分束器將每個(ge) 脈衝(chong) 的一半發送給Alice，另一半發送給Bob。當一個(ge) 脈衝(chong) 經過Alice時，她可以移動激光脈衝(chong) 的相位來編碼每個(ge) 球的信息。

與(yu) 此同時，Bob將他關(guan) 心的那些球的信息編碼到他那一半的激光脈衝(chong) 中。然後這些脈衝(chong) 匯聚到另一個(ge) 分束器中，在那裏它們(men) 相互幹擾。這兩(liang) 組脈衝(chong) 相互幹擾的方式反映了每個(ge) 脈衝(chong) 相位的移動位置的不同。Bob可以依靠附近的光子探測器來解讀脈衝(chong) 的幹涉圖樣。

在Bob“讀”到Alice的激光信息前，Alice的量子信息能夠回答關(guan) 於(yu) 任何一對球的任何問題。但在Bob讀取量子信息的過程中，他破壞了這種信息，所以隻獲得了一對球的信息。

量子信息的這一特性(它具有被多種方式讀取的潛力，但最終隻能以一種方式被讀取)極大地減少了為(wei) 解決(jue) 采樣匹配問題所需要傳(chuan) 輸的信息量。如果以往Alice需要給Bob發送100個(ge) 經典比特來確保他能回答他的問題，那麽(me) 現在Alice可以在10個(ge) 量子比特或量子位內(nei) 完成同樣的目標。

從(cong) 事量子技術研究的科羅拉多州博爾德JILA的物理學家格雷姆·史密斯(Graeme Smith)說：“如果你想建立一個(ge) 真正的量子網絡，就必須進行這種原理驗證的東(dong) 西。”

這項新實驗是對傳(chuan) 統通信方法的徹底碾壓。研究人員在實驗中確切地知道了使用傳(chuan) 統通信方式需要傳(chuan) 遞多少信息才能解決(jue) 這個(ge) 問題，然後，他們(men) 無可爭(zheng) 議地證明了這個(ge) 問題可以通過量子手段以更簡潔的方式解決(jue) 。史密斯說：“在這個(ge) 研究中，我很高興(xing) 可以看到人們(men) 真的很努力地去確保他們(men) 所做的事情在傳(chuan) 統意義(yi) 上是困難的，然後再用量子方法去做這些困難的事情。”

這一結果還提出了實現計算機科學長期目標的另一種途徑：證明量子計算機優(you) 於(yu) 經典計算機。在純粹的計算領域，這樣的量子“霸權”一直都很難建立，並且許多重要的問題不僅(jin) 僅(jin) 隻取決(jue) 於(yu) 計算。

Kerenidis說：“將我們(men) 能做的與(yu) 計算和通信能力結合起來，將更容易證明量子的優(you) 勢。