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量子通信能否取代傳統通信?實驗結果表明:量子通信比傳統通信更快!

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發表時間:2018-12-28 19:29作者:丹若科技

   量子計算機雖然仍只是個夢想,但量子通信的時代已近在咫尺。目前來自巴黎的一項最新實驗首次證明,與傳統通信相比,量子通信確實有顯著優勢。

索邦大學電氣工程師Eleni Diamanti、其研究合作者Iordanis Kerenidis以及Niraj Kumar共同指出,“我們率先進行了量子通信實驗,結果顯示,發送與接收雙方必須以共享方式方可完成通信——而這也正是量子通信的優勢所在?!?br style="box-sizing:border-box;-webkit-tap-highlight-color:transparent;" />

一邊,人們普遍認為量子計算機(即利用物質的量子特性進行信息編碼)有望徹底改變人類的計算方式,但研究進展相當緩慢。之所以如此,原因之一是科學家們還沒有證明出量子計算機是否真比經典計算機更快。舉例來說,去年夏季一位來自德克薩斯州的少年就證明,某個長期以來只能在量子計算機上解決的問題,實際上也可以在經典計算機上快速完成。

另一邊,而在通信領域(而非計算領域)當中,量子技術卻有著相當明確的比較優勢。早在十多年前,計算機科學家們就已經證明,至少在理論層面,量子通信在立足某些任務進行信息發送時,確實優于傳統通信方式。

Kerenidis解釋稱,“大多數人都在研究計算任務。但相比之下,通信任務其實更有價值,因為其優勢可以得到證明?!?/span>

2004年,Kerenidis和另外兩位計算機科學家勾勒出一個實驗場景:一個人向另一個人發信息,以便后者能夠回答某個特定問題。研究人員證明,量子裝置能夠在達成這一目的的同時,傳輸少于傳統系統的實際信息量。但他們想象出的這種量子通信只存在于理論層面——當時的技術還遠無法實現Kerenidis解釋,“我們雖然能證明這種量子優勢,但也發現量子通信協議極難實現?!?/span>



圖從上至下:索邦大學電氣工程師Eleni Diamanti,巴黎狄德羅大學IRIF算法與復雜性小組CNRS高級研究員Iordanis Kerenidis和索邦大學量子信息與密碼學博士生Niraj Kumar

在后續工作當中,Kerenidis及其同事對原本的設想場景做出了修改。實驗涉及兩個用戶,分別為Alice與Bob。Alice擁有一組標有編號的球,每個球隨機為紅色或藍色。Bob需要知道自己隨機選定的某一對特定球顏色是否相同。Alice希望盡可能少地向Bob傳遞信息,但同時又確保Bob能夠據此得到正確答案。

這個問題被稱為“抽樣匹配問題(sampling matching problem)”,其在密碼學以及加密貨幣領域擁有重要意義,因為用戶經常希望交換信息但又無需公開自己的一切信息。此外,這個問題也適合被用于證明量子通信的優勢。

加利福尼亞大學計算機科學家Thomas Vidick指出,“我們不可能簡單把發送內容設定為一部電影或者其它GB級別的大文件,然后輕松將其編碼為量子狀態”并指望發揮量子通信優勢。相反,“大家必須關注那些更有技術含量的任務?!?/span>

為了解決這類經典匹配問題,Alice必須向Bob發送與球數的平方根成比例的信息量。而量子信息自身的一些反傳統特性,使得更多更高效的解決方案成為可能。



圖:量子通信能夠以少于經典通信方式的傳輸量發送特定類型的信息

在新的量子通信實驗場景設置當中,Alice與Bob通過激光脈沖進行通信。每次脈沖代表一個球。脈沖通過分束器,分束器將每個脈沖的一半發送給Alice,并將另一半發送給Bob。當一次脈沖經過Alice處時,她可以對所謂激光脈沖相位進行轉換,以對每個球的信息進行編碼——即其為紅色或者藍色。

與此同時,Bob將自己想要了解的一對目標球的信息編碼到自己這一半激光脈沖之內。接下來,脈沖將匯聚在另一個分束器內,并在這里相互干擾。兩組脈沖相互干擾的具體方式,反映出每次脈沖相位移動方式上的差異。Bob可以讀取到附近光子探測器檢測到的干擾模式。

在Bob“讀取”到Alice激光消息的那一刻之前,Alice的量子信息能夠回答關于任何小球對的所有問題。然而,在這一量子信息讀取活動當中,信息本身將會崩潰,最終坍縮為僅一對球的信息。

量子信息的這種特性——即能夠以多種角度讀取,但讀取方最終只能選擇其中一種角度所對應的結果——極大減少了解決抽樣匹配問題時需要傳輸的信息量。如果Alice在使用經典bit時需要向Bob發送100 bit數據才能回答問題,那么如今,Alice只需要向Bob發送10量子位或者說10 qubit即可實現同樣的目標。

科羅拉多州博爾德實驗天體物理聯合研究所物理學家、從事量子技術研究的Graeme Smith指出,“如果你打算建立一套真正的量子網絡,這就是最實際的原理性證明?!?/span>

這項新實驗證明,量子通信技術確實擁有優于傳統方法的優勢。研究人員在實驗中確切了解到需要多少信息才能以傳統方式解決問題;接下來,他們嚴謹地證明,量子傳輸手段可以更簡單的解決問題。Smith指出,“這篇論文的意義在于,研究人員首先證明以傳統方式解決問題的困難性,而后進一步證明以量子技術解決這一難題的簡單性?!?/span>

這項研究結果還給計算機科學長期面臨的困境提供了一條潛在出路,即如何證明量子計算機勝過經典計算機。這種量子“至上”的結論在純計算領域很難證明,但在實際工作中,很多重要的問題并不僅僅涉及計算。

Kerenidis表示,“將我們能夠實現的計算與通信能力結合起來,這種合并能夠更輕松地證明量子技術的優勢所在?!?/span>


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