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科学家首次证实量子通信优于传统信息传输方式

2018-12-29 08:38
来源: 镁客网

日前,据外媒报道,巴黎的一项新实验在解决抽样匹配问题时首次证明了量子通信优于传统的信息传输方式。

据悉,量子机器是利用物质的量子特性对信息进行编码,科学家普遍认为它将彻底改变现有的计算科学,但这种研究发明进展非常缓慢。工程师们一边在努力打造基本的量子计算机,理论计算机科学家这边却遭遇了一个根本性的障碍,即他们无法证明经典计算机永远无法完成量子计算机设计的任务。

在2017年的夏天,就有一位美国德克萨斯州的少年证明了一个长期以来被认为只有通过量子计算机才能快速解决的问题,可以通过经典计算机快速解决。这一事件更是让人们以为的量子计算机的优越性有所降低。

然而,好在通信领域中,量子方法的优势可以进行证明。早在十几年前,计算机科学家就证明了在理论上量子通信比传统信息传递的方式要好。

这次举行实验的研究项目就证明了量子在传递信息方面的优势所在。据悉,该项目的研究者包括巴黎索邦大学电气工程师Eleni Diamanti、巴黎狄德罗大学计算机科学家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

在2004年,Kerenidis和另外两位计算机科学家设想了这样一种场景。就是一个人需要将信息发送给另一个人,这样另一个就能够回答特定的问题。研究人员证实量子装置能够通过比经典通信系统更少的指数级信息去完成这项任务。但由于其设想的量子结构是纯理论的,在当时的技术水平并无法实现。

后来Kerenidis和他的同事将其设想的情景进行了修改,研究讨论的问题也涉及到了两个用户,爱丽丝和鲍勃。其中,爱丽丝有一组编号的球,每个球的颜色是随机的红色或者蓝色,鲍勃想知道随意选择的一对球是相同的颜色或者不同的颜色。爱丽丝则希望尽可能少地向鲍勃发送信息,确保鲍勃能够回答他的问题。

而如果要通过经典通信的方式解决抽样匹配问题,爱丽丝必须要向鲍勃发送与球数平方根成比例的信息,但是量子信息的非正统性使得更有效的解决方式成为可能。

在这次使用的实验室设置中,爱丽丝和鲍勃通过激光脉冲进行通信,每个脉冲代表一个球。脉冲会通过一个分束器,分束器会将每个脉冲的一半发送给爱丽丝,另一半发送给鲍勃。当一个脉冲发送给爱丽丝时,她可以移动激光脉冲的相位来编码每个球的信息,无论是红色的球还是蓝色的球。

同时,鲍勃将他自己关心的两对球信息编码到他那一半的激光脉冲之中。随后,这些脉冲汇聚到另一个分束器,在那里它们互相干扰。这两组脉冲相互干扰的方式反映了每个脉冲的相位被移动的方式。如此一来,鲍勃就能够读出附近光子探测器上的干涉图样。

而在鲍勃“读取”爱丽丝的激光信息之前,爱丽丝的量子信息能够回答关于任意一对球的任何问题。不过,读取量子信息的过程中,鲍勃破坏了所有信息,所以只会获得一对球的信息。

量子信息能够以多种方式进行读取,但最终只能以一种方式读取。这一特性极大的减少了为解决采样匹配问题而需要传输的信息量。假如爱丽丝需要给鲍勃发送100个经典比特数来确保他能够回答出问题,那么,只需发送约10个量子位就能完成同样的任务。

(作者:温暖)

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