量子計算機仍是夢想，但量子通信的時代已經到來

量子計算機仍然是一個夢想，但是量子通信的時代已經到來。一項新實驗首次證明，量子通信優於傳統的信息傳輸方式。

量子計算 & 量子通信

人們普遍認為，量子計算機的出現將帶來革命性的變化，但相關進展卻一直很緩慢。當工程師們努力建造基本的量子計算機時，理論計算機科學家們卻遇到了一個更根本的障礙：他們無法證明——經典計算機永遠都無法完成要用量子計算機才能完成的任務。例如，今年夏天，18歲的Ewin Tang證明了經典計算機也可以快速解決一個長期以來被認為只能在量子計算機上快速解決的問題[1]。

然而，在通信領域（而不是計算領域），量子方法的好處是可以證明的。十多年前，計算機科學家證明，至少在理論上，對於某些任務來說，量子通信優於傳統的發送信息的方式。論文的作者之一Iordanis Kerenidis說：「大多數人研究的是計算任務。對於通信任務而言，一個很大的優點是，量子通信的優勢是可以證明的。」

2004年，Kerenidis和另外兩名計算機科學家設想了這樣一個場景：一個人需要將信息發送給另一個人，這樣另一個人才能夠回答特定的問題。研究人員證明，量子裝置可以傳輸比經典系統少指數量級的信息來完成這項任務[2]。但他們所設想的量子裝置是純理論的，遠遠超出了當時的技術水平。

抽樣匹配問題

此次的新工作對上述設想的場景進行了修改。論文中討論的問題涉及兩個用戶：A和B。A有一組編號的球，每個球的顏色被隨機塗成紅色或藍色。B想知道，任意挑選的一對球是相同的顏色還是不同的顏色。A希望，向B發送的信息量儘可能少，但同時仍然確保B能夠回答他的問題。

這個問題叫做「抽樣匹配問題」（sampling matching problem）。它對密碼學和數字貨幣也有影響，在這些領域，用戶通常希望交換信息卻不必透露他們所知道的一切。這個問題也非常適合展示量子通信的優勢。

經典通信：A必須向B發送與球的數量成比例的大量信息（編碼在光子中），B以經典方法讀取信息。| 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

要用經典方法解決匹配問題，愛麗絲向鮑勃發送的信息量必須與球的數量的平方根成正比。但是量子信息的非正統性質使得更有效的解決方案成為可能。

在新工作中使用的實驗室設置中，A和B通過激光脈衝進行通信。每個脈衝代表一個球。脈衝通過一個分束器，分束器將每個脈衝的一半發送給A，另一半發送給B。當一個脈衝經過A時，她可以移動激光脈衝的相位來編碼每個球的信息——這個球是紅色還是藍色。

與此同時，B將他所關心的成對的球的信息編碼到他那一半的激光脈衝中。然後，A和B的脈衝匯聚到另一個分束器中，在那裡它們相互干涉。這兩組脈衝相互干涉的方式反映了每個脈衝的相位被移動方式的不同。B可以讀出附近光子探測器上的干涉圖樣。

在B「讀取」A的激光信息之前，A的量子信息能夠回答關於任意一對球的任何問題。但在讀取量子信息的過程中，B破壞了它，最終只獲得一對球的信息。

量子通信。| 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

量子信息的這一特性——它具有以多種方式讀取的潛力，但最終只能以一種方式讀取——極大地減少了為解決抽樣匹配問題而需要傳輸的信息量。如果A需要給B發送100個經典比特以確保他能夠回答他的問題，她只需要發送大約10個量子比特就能夠完成同樣的任務。

新的實驗是一項巨大的勝利。研究人員在實驗中確切地知道需要以經典方法傳輸多少信息才能解決這個問題。然後，他們無可爭議地證明，問題可以通過量子手段以更簡潔的方式解決。

這一結果還提出了實現計算機科學中一個長期目標的另一種途徑：證明量子計算機優於經典計算機。這種量子「霸權」在純計算領域很難確立，但許多重要問題不僅取決於計算。

Kerenidis說：「將我們用計算和通信能夠做的事情結合起來，將更容易證明量子優勢。」

參考鏈接：

[1] https://arxiv.org/pdf/1807.04271.pdf

[2] https://dl.acm.org/citation.cfm?doid=1007352.1007379

[3]https://www.quantamagazine.org/milestone-experiment-proves-quantum-communication-really-is-faster-20181219/

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