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傳送大量資訊?量子通訊更高效快速

2018/12/21 — 13:10

「天下武功,無堅不摧,唯快不破。」資訊傳輸速度也十分重要,稍有遲緩可能會影響網路安全、投資決定等。法國電腦科學家就嘗試測試量子通訊,並首次證明傳輸速度較傳統通訊方法快。研究已刊於 arXiv 。

先談量子運算?

要利用量子通訊,首先需要了解一下甚麼是「量子運算 (Quantum Computing) 」。普通電腦一般是以 1 和 0 表達訊息—— 1 可代表「是 (true) 」, 0 則代表「不是 (false) 」。以 “One” 一字為例,電腦可以 "01001111 01101110 01100101” ,一串二進制「位元 (bit) 」表達。這種運算方式在同一時間只能以 1 或 0 存在。

這種運算方法卻會受制於電腦運算能力,即使近年電腦晶片越變越小和更快,但由於其大小已縮至與原子大小相似無幾,電子行為也開始變得難以預測。電腦科學家和物理學家轉而提出研發量子電腦。量子電腦運算同時量子位元 (quantum bit, qubit ) 。量子位元同樣會有 1 及 0 ,但最特別在於可同時計算,即容許 1 和 0 同時存在,並稱為量子叠加 (superposition property) 。此外,量子糾纏 (entanglement) 特性也可從單一量子位元,預測到另一位元狀態。量子電腦的這類特性,理論上可大幅增加其運算能力。

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量子通訊較傳統方法佳?

現時電腦科學界另一個要考慮的問題,是究竟量子電腦實際應用上,是否真的會比一般電腦佳。其中,數月前就曾有美國德州青年,成功以普通電腦解開了一直以為是量子電腦才能快速解決的問題。相反,量子通訊就似乎有一個較明確答案。法國電子工程學家 Eleni Diamanti 、電腦科學家 Iordanis Kerenidis 以及 Niraj Kumar 在 2004 年開始,就開始測試「量子傳輸」。他們提出一個情境,假設用戶 B 需要透過接受用戶 A 的訊息,才可回答一個特定問題。在此情況下,他們計算出量子通訊可以大幅減少需要傳遞的資訊量。然而,由於當時科技所限,此結果仍然未經「實戰」測試確認。

數年後,他們改以「取樣吻合難題 (Sampling matching problem) 」測試。此情境是指用戶 A 擁有一組數字球,每個球都隨機油上了藍色或紅色。而用戶 B 就想知道隨機抽出兩個球時的顏色是否一樣。目的是以最少資訊傳輸量讓用戶 B 得知答案,換言之在無需泄漏太多資訊下交換訊息,類似問題也可應用於密碼學和電子貨幣科技。

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在普通運算下,用戶 A 需要根據顏色球數量的平方根,按比例傳送大量資訊。今次量子通訊實驗,Diamanti 等人利用激光脈衝通訊。每度脈衝代表一個球。一連串激光脈衝會經過分光鏡中分散成兩度光線,分別照向用戶 A 和 B 。當脈衝經過用戶 A 時,他就可以改變激光脈衝,將每個球的顏色「編碼」至光束之中。與此同時,用戶 B 就可以將他想知道的兩個特別球(例如球 1 和 3 是否一樣)的問題編進激光脈衝中。之後,兩度脈衝再聚合時會相互干擾,干擾差異可透過用戶 B 以光子測量儀器測量,並找出干擾模式,由此找出兩個「目標球」的顏色。 

未來量子電腦研究新方向

今次研究直接測試了量子通訊的效率,並首次證明量子通訊較一般方法快。這是因為量子電腦可讓經過用戶 A 的脈衝包含所有顏色組合資訊,並將其傳送。即使用戶 B 就算是問及其他球的顏色,也可以即時從脈衝傳訊中找到。研究人員估算,傳統運算需用到 100 位元的資訊;相反,如果以量子通訊,那可能只需要用 10 個量子位元就可達到,相對在傳送時所耗用的資源就更少。研究結果也幫助未來研究了解量子電腦是否比傳統電腦表現佳,提出了新研究方向。研究人員 Kerenidis 就向《Quanta》表示,透過融合量子運算及通訊力量,將可更易證明到量子電腦的優勢。 

來源:
Quanta Magazine, Milestone Experiment Proves Quantum Communication Really Is Faster, 19 December 2018

報告:
Kumar, N., Krenidis, I. & Diamanti, E. (2018). Experimental demonstration of quantum advantage for one-way communication complexity. arXiv, Published Online. DOI: arXiv:1811.09154

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

 

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