巴黎的一項最新實驗首次證明，與傳統(tǒng)通信相比，量子通信確實有顯著優(yōu)勢。

索邦大學(xué)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(jìn)行了量子通信實驗，結(jié)果顯示，發(fā)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(yōu)勢所在。”

一邊，人們普遍認(rèn)為量子計算機(jī)（即利用物質(zhì)的量子特性進(jìn)行信息編碼）有望徹底改變?nèi)祟惖挠嬎惴绞剑?span>但研究進(jìn)展相當(dāng)緩慢。之所以如此，原因之一是科學(xué)家們還沒有證明出量子計算機(jī)是否真比經(jīng)典計算機(jī)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(jī)上解決的問題，實際上也可以在經(jīng)典計算機(jī)上快速完成。

另一邊，而在通信領(lǐng)域（而非計算領(lǐng)域）當(dāng)中，量子技術(shù)卻有著相當(dāng)明確的比較優(yōu)勢。早在十多年前，計算機(jī)科學(xué)家們就已經(jīng)證明，至少在理論層面，量子通信在立足某些任務(wù)進(jìn)行信息發(fā)送時，確實優(yōu)于傳統(tǒng)通信方式。

Kerenidis解釋稱，“大多數(shù)人都在研究計算任務(wù)。但相比之下，通信任務(wù)其實更有價值，因為其優(yōu)勢可以得到證明。”

2004年，Kerenidis和另外兩位計算機(jī)科學(xué)家勾勒出一個實驗場景：一個人向另一個人發(fā)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(dá)成這一目的的同時，傳輸少于傳統(tǒng)系統(tǒng)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(dāng)時的技術(shù)還遠(yuǎn)無法實現(xiàn)Kerenidis解釋，“我們雖然能證明這種量子優(yōu)勢，但也發(fā)現(xiàn)量子通信協(xié)議極難實現(xiàn)。”

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

在后續(xù)工作當(dāng)中，Kerenidis及其同事對原本的設(shè)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(biāo)有編號的球，每個球隨機(jī)為紅色或藍(lán)色。Bob需要知道自己隨機(jī)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(jù)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(xué)以及加密貨幣領(lǐng)域擁有重要意義，因為用戶經(jīng)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(yōu)勢。

加利福尼亞大學(xué)計算機(jī)科學(xué)家Thomas Vidick指出，“我們不可能簡單把發(fā)送內(nèi)容設(shè)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(tài)”并指望發(fā)揮量子通信優(yōu)勢。相反，“大家必須關(guān)注那些更有技術(shù)含量的任務(wù)。”

為了解決這類經(jīng)典匹配問題，Alice必須向Bob發(fā)送與球數(shù)的平方根成比例的信息量。而量子信息自身的一些反傳統(tǒng)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(jīng)典通信方式的傳輸量發(fā)送特定類型的信息

在新的量子通信實驗場景設(shè)置當(dāng)中，Alice與Bob通過激光脈沖進(jìn)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(fā)送給Alice，并將另一半發(fā)送給Bob。當(dāng)一次脈沖經(jīng)過Alice處時，她可以對所謂激光脈沖相位進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以對每個球的信息進(jìn)行編碼——即其為紅色或者藍(lán)色。

與此同時，Bob將自己想要了解的一對目標(biāo)球的信息編碼到自己這一半激光脈沖之內(nèi)。接下來，脈沖將匯聚在另一個分束器內(nèi)，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(guān)于任何小球?qū)Φ乃袉栴}。然而，在這一量子信息讀取活動當(dāng)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(yīng)的結(jié)果——極大減少了解決抽樣匹配問題時需要傳輸?shù)男畔⒘俊?strong>如果Alice在使用經(jīng)典bit時需要向Bob發(fā)送100 bit數(shù)據(jù)才能回答問題，那么如今，Alice只需要向Bob發(fā)送10量子位或者說10 qubit即可實現(xiàn)同樣的目標(biāo)。

科羅拉多州博爾德實驗天體物理聯(lián)合研究所物理學(xué)家、從事量子技術(shù)研究的Graeme Smith指出，“如果你打算建立一套真正的量子網(wǎng)絡(luò)，這就是最實際的原理性證明。”

這項新實驗證明，量子通信技術(shù)確實擁有優(yōu)于傳統(tǒng)方法的優(yōu)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(tǒng)方式解決問題；接下來，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C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(tǒng)方式解決問題的困難性，而后進(jìn)一步證明以量子技術(shù)解決這一難題的簡單性。”

這項研究結(jié)果還給計算機(jī)科學(xué)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(jī)勝過經(jīng)典計算機(jī)。這種量子“至上”的結(jié)論在純計算領(lǐng)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?qū)崿F(xiàn)的計算與通信能力結(jié)合起來，這種合并能夠更輕松地證明量子技術(shù)的優(yōu)勢所在。”