量子计算机仍是梦想，但量子通信的时代已经到来

原理 昨天

量子计算机仍然是一个梦想，但是量子通信的时代已经到来。一项新实验首次证明，量子通信优于传统的信息传输方式。

量子计算 & 量子通信

人们普遍认为，量子计算机的出现将带来革命性的变化，但相关进展却一直很缓慢。当工程师们努力建造基本的量子计算机时，理论计算机科学家们却遇到了一个更根本的障碍：他们无法证明——经典计算机永远都无法完成要用量子计算机才能完成的任务。例如，今年夏天，18岁的Ewin Tang证明了经典计算机也可以快速解决一个长期以来被认为只能在量子计算机上快速解决的问题[1]。

然而，在通信领域(而不是计算领域)，量子方法的好处是可以证明的。十多年前，计算机科学家证明，至少在理论上，对于某些任务来说，量子通信优于传统的发送信息的方式。论文的作者之一Iordanis Kerenidis说：“大多数人研究的是计算任务。对于通信任务而言，一个很大的优点是，量子通信的优势是可以证明的。”

2004年，Kerenidis和另外两名计算机科学家设想了这样一个场景：一个人需要将信息发送给另一个人，这样另一个人才能够回答特定的问题。研究人员证明，量子装置可以传输比经典系统少指数量级的信息来完成这项任务[2]。但他们所设想的量子装置是纯理论的，远远超出了当时的技术水平。

抽样匹配问题

此次的新工作对上述设想的场景进行了修改。论文中讨论的问题涉及两个用户：A和B。A有一组编号的球，每个球的颜色被随机涂成红色或蓝色。B想知道，任意挑选的一对球是相同的颜色还是不同的颜色。A希望，向B发送的信息量尽可能少，但同时仍然确保B能够回答他的问题。

这个问题叫做“抽样匹配问题”(sampling matching problem) 。它对密码学和数字货币也有影响，在这些领域，用户通常希望交换信息却不必透露他们所知道的一切。这个问题也非常适合展示量子通信的优势。

经典通信：A必须向B发送与球的数量成比例的大量信息(编码在光子中)，B以经典方法读取信息。 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

要用经典方法解决匹配问题，爱丽丝向鲍勃发送的信息量必须与球的数量的平方根成正比。但是量子信息的非正统性质使得更有效的解决方案成为可能。

在新工作中使用的实验室设置中，A和B通过激光脉冲进行通信。每个脉冲代表一个球。脉冲通过一个分束器，分束器将每个脉冲的一半发送给A，另一半发送给B。当一个脉冲经过A时，她可以移动激光脉冲的相位来编码每个球的信息——这个球是红色还是蓝色。

与此同时，B将他所关心的成对的球的信息编码到他那一半的激光脉冲中。然后，A和B的脉冲汇聚到另一个分束器中，在那里它们相互干涉。这两组脉冲相互干涉的方式反映了每个脉冲的相位被移动方式的不同。B可以读出附近光子探测器上的干涉图样。

在B“读取”A的激光信息之前，A的量子信息能够回答关于任意一对球的任何问题。但在读取量子信息的过程中，B破坏了它，最终只获得一对球的信息。

量子通信。 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

量子信息的这一特性——它具有以多种方式读取的潜力，但最终只能以一种方式读取——极大地减少了为解决抽样匹配问题而需要传输的信息量。如果A需要给B发送100个经典比特以确保他能够回答他的问题，她只需要发送大约10个量子比特就能够完成同样的任务。

新的实验是一项巨大的胜利。研究人员在实验中确切地知道需要以经典方法传输多少信息才能解决这个问题。然后，他们无可争议地证明，问题可以通过量子手段以更简洁的方式解决。

这一结果还提出了实现计算机科学中一个长期目标的另一种途径：证明量子计算机优于经典计算机。这种量子“霸权”在纯计算领域很难确立，但许多重要问题不仅取决于计算。

Kerenidis说：“将我们用计算和通信能够做的事情结合起来，将更容易证明量子优势。”