量子通信允許某種類型的信息在傳播過程中使用比傳統通信傳播少得多的比特，并且這種減少還以指數級計算。
雖然量子計算機仍然是一個夢想，但是量子通信的時代已經到來。一項在巴黎進行的新實驗首次證明，量子通信優于傳統的信息傳輸方式。
“我們是第一個展示量子在傳播信息(這些信息發送和接受雙方都必須共享以完成任務)方面的優勢的研究，”Eleni Diamanti說，他是巴黎索邦大學的電氣工程師，同時也是這項研究的作者之一，其他共同作者包括巴黎狄德羅大學計算機科學家Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar。
量子機器——利用物質的量子特性對信息進行編碼——被廣泛認為將給信息計算帶來革命性的變化。但量子機器的進展一直都相當緩慢，當工程師們努力建造量子計算機原型的時候，理論計算機科學家們卻遇到了一個更根本的障礙：他們無法證明經典計算機永遠都不能完成為量子計算機設計的任務。例如，去年夏天，一位來自德克薩斯州的少年就證明了一個長期以來被認為只能在量子計算機上快速解決的問題，也可以在經典計算機上被快速解決。
然而，在通信領域(而不是計算領域)，使用量子來進行通信的好處是可以被證明的。早在十多年前，計算機科學家就已經證明，至少在理論上，對于發送某些任務信息來說量子通信比傳統的通信方式要好。
“很多人都研究過計算任務，但通信任務的一大優點是量子的這些優點是可證的。
2004年，Kerenidis和另外兩名計算機科學家設想了這樣一個場景：一個人需要將信息發送給另一個人，這樣另一個人就可以回答特定的問題。研究人員證明，量子裝置可以通過傳遞比經典系統少得多的信息來完成這項任務，并且這種減少是指數級的減少。但他們設想的量子裝置純粹是理論上的，并且遠遠超出了當時的技術水平。
“我們可以證明這種量子優勢，但在當時實際上很難實現量子協議，”Kerenidis說。
Eleni Diamanti，Iordanis Kerenidis和Niraj Kumar，他們構建了一個量子通信系統，該系統被證明優于任何經典系統。
而這項新的研究對Kerenidis和他的同事們設想的情景進行了修改。該研究討論的問題涉及兩個用戶，Alice和Bob。Alice有一組編號的球，每個球的顏色是隨機的紅色或藍色。Bob想知道任意挑選、或者既定的一對球具有相同的顏色還是不同的顏色，Alice希望盡可能少地向Bob發送信息，但同時又確保Bob能夠回答他的問題。
這個問題叫做“抽樣匹配問題”。它對密碼學和數字貨幣也有影響，在這些問題中，用戶通常希望交換信息，但又不會透露他們所知道的一切，它也非常適合展示量子通信的優勢。
加州理工學院(California Institute of Technology)的計算機科學家Thomas Vidick說：“你不能說我想要給你發一部一個G的電影或者其他東西，然后把它編碼成量子狀態，接著就想發現量子通信的在這方面的優勢。要發現量子通信的優勢必須要通過一些更微妙的任務。”
解決這個匹配問題的經典方法是Alice必須向Bob發送與球的數量的平方根成比例的信息量。但是量子信息的創新性質使得更有效的解決方法成為可能。
Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
在新研究中使用的實驗背景里，Alice和Bob通過激光脈沖進行通信。每個脈沖代表一個球。脈沖通過一個分束器，分束器將每個脈沖的一半發送給Alice，另一半發送給Bob。當一個脈沖經過Alice時，她可以移動激光脈沖的相位來編碼每個球的信息。
與此同時，Bob將他關心的那些球的信息編碼到他那一半的激光脈沖中。然后這些脈沖匯聚到另一個分束器中，在那里它們相互干擾。這兩組脈沖相互干擾的方式反映了每個脈沖相位的移動位置的不同。Bob可以依靠附近的光子探測器來解讀脈沖的干涉圖樣。
在Bob“讀”到Alice的激光信息前，Alice的量子信息能夠回答關于任何一對球的任何問題。但在Bob讀取量子信息的過程中，他破壞了這種信息，所以只獲得了一對球的信息。
量子信息的這一特性(它具有被多種方式讀取的潛力，但最終只能以一種方式被讀取)極大地減少了為解決采樣匹配問題所需要傳輸的信息量。如果以往Alice需要給Bob發送100個經典比特來確保他能回答他的問題，那么現在Alice可以在10個量子比特或量子位內完成同樣的目標。
從事量子技術研究的科羅拉多州博爾德JILA的物理學家格雷姆·史密斯(Graeme Smith)說：“如果你想建立一個真正的量子網絡，就必須進行這種原理驗證的東西。”
這項新實驗是對傳統通信方法的徹底碾壓。研究人員在實驗中確切地知道了使用傳統通信方式需要傳遞多少信息才能解決這個問題，然后，他們無可爭議地證明了這個問題可以通過量子手段以更簡潔的方式解決。史密斯說：“在這個研究中，我很高興可以看到人們真的很努力地去確保他們所做的事情在傳統意義上是困難的，然后再用量子方法去做這些困難的事情。”
這一結果還提出了實現計算機科學長期目標的另一種途徑：證明量子計算機優于經典計算機。在純粹的計算領域，這樣的量子“霸權”一直都很難建立，并且許多重要的問題不僅僅只取決于計算。
Kerenidis說：“將我們能做的與計算和通信能力結合起來，將更容易證明量子的優勢。
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