量子通信允许某种类型的信息在传播过程中使用比传统通信传播少得多的比特，并且这种减少还以指数级计算。

虽然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。一项在巴黎进行的新实验首次证明，量子通信优于传统的信息传输方式。

“我们是第一个展示量子在传播信息(这些信息发送和接受双方都必须共享以完成任务)方面的优势的研究，”Eleni Diamanti说，他是巴黎索邦大学的电气工程师，同时也是这项研究的作者之一，其他共同作者包括巴黎狄德罗大学计算机科学家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。

量子机器——利用物质的量子特性对信息进行编码——被广泛认为将给信息计算带来革命性的变化。但量子机器的进展一直都相当缓慢，当工程师们努力建造量子计算机原型的时候，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不能完成为量子计算机设计的任务。例如，去年夏天，一位来自德克萨斯州的少年就证明了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，也可以在经典计算机上被快速解决。

然而，在通信领域(而不是计算领域)，使用量子来进行通信的好处是可以被证明的。早在十多年前，计算机科学家就已经证明，至少在理论上，对于发送某些任务信息来说量子通信比传统的通信方式要好。

“很多人都研究过计算任务，但通信任务的一大优点是量子的这些优点是可证的。

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，这样另一个人就可以回答特定的问题。研究人员证明，量子装置可以通过传递比经典系统少得多的信息来完成这项任务，并且这种减少是指数级的减少。但他们设想的量子装置纯粹是理论上的，并且远远超出了当时的技术水平。

“我们可以证明这种量子优势，但在当时实际上很难实现量子协议，”Kerenidis说。

Eleni Diamanti，Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar，他们构建了一个量子通信系统，该系统被证明优于任何经典系统。

而这项新的研究对Kerenidis和他的同事们设想的情景进行了修改。该研究讨论的问题涉及两个用户，Alice和Bob。Alice有一组编号的球，每个球的颜色是随机的红色或蓝色。Bob想知道任意挑选、或者既定的一对球具有相同的颜色还是不同的颜色，Alice希望尽可能少地向Bob发送信息，但同时又确保Bob能够回答他的问题。

这个问题叫做“抽样匹配问题”。它对密码学和数字货币也有影响，在这些问题中，用户通常希望交换信息，但又不会透露他们所知道的一切，它也非常适合展示量子通信的优势。

加州理工学院(California Institute of Technology)的计算机科学家Thomas Vidick说：“你不能说我想要给你发一部一个G的电影或者其他东西，然后把它编码成量子状态，接着就想发现量子通信的在这方面的优势。要发现量子通信的优势必须要通过一些更微妙的任务。”

解决这个匹配问题的经典方法是Alice必须向Bob发送与球的数量的平方根成比例的信息量。但是量子信息的创新性质使得更有效的解决方法成为可能。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

在新研究中使用的实验背景里，Alice和Bob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Alice，另一半发送给Bob。当一个脉冲经过Alice时，她可以移动激光脉冲的相位来编码每个球的信息。

与此同时，Bob将他关心的那些球的信息编码到他那一半的激光脉冲中。然后这些脉冲汇聚到另一个分束器中，在那里它们相互干扰。这两组脉冲相互干扰的方式反映了每个脉冲相位的移动位置的不同。Bob可以依靠附近的光子探测器来解读脉冲的干涉图样。

在Bob“读”到Alice的激光信息前，Alice的量子信息能够回答关于任何一对球的任何问题。但在Bob读取量子信息的过程中，他破坏了这种信息，所以只获得了一对球的信息。

量子信息的这一特性(它具有被多种方式读取的潜力，但最终只能以一种方式被读取)极大地减少了为解决采样匹配问题所需要传输的信息量。如果以往Alice需要给Bob发送100个经典比特来确保他能回答他的问题，那么现在Alice可以在10个量子比特或量子位内完成同样的目标。

从事量子技术研究的科罗拉多州博尔德JILA的物理学家格雷姆·史密斯(Graeme Smith)说：“如果你想建立一个真正的量子网络，就必须进行这种原理验证的东西。”

这项新实验是对传统通信方法的彻底碾压。研究人员在实验中确切地知道了使用传统通信方式需要传递多少信息才能解决这个问题，然后，他们无可争议地证明了这个问题可以通过量子手段以更简洁的方式解决。史密斯说：“在这个研究中，我很高兴可以看到人们真的很努力地去确保他们所做的事情在传统意义上是困难的，然后再用量子方法去做这些困难的事情。”

这一结果还提出了实现计算机科学长期目标的另一种途径：证明量子计算机优于经典计算机。在纯粹的计算领域，这样的量子“霸权”一直都很难建立，并且许多重要的问题不仅仅只取决于计算。

Kerenidis说：“将我们能做的与计算和通信能力结合起来，将更容易证明量子的优势。