如果没有压缩数据的算法将信息编码成更少的比特，硬盘驱动器就会被堵塞，互联网流量就会慢如蜗牛。现在，加拿大的一组物理学家首次展示了压缩未来计算机中可能使用的数据类型是可行的——这种数据类型被称为量子比特（qubits）。
量子计算机有望以比传统计算机快得多的指数级速度执行某些任务，例如破解加密密钥或搜索数据库。这种速度的提升部分归功于以下事实：在传统计算机中，一个信息比特可以是 0 或 1，而量子计算机可以将信息同时存储为两个值，因此可以存在于两种状态的广泛“叠加”中。
量子技术仍处于起步阶段，许多在传统计算机中常见的流程尚未在量子计算机中得到演示，包括数据压缩。多伦多大学的量子物理学家艾弗雷姆·斯坦伯格和他的同事们着手执行一项看似简单的任务：压缩多个相同量子比特中包含的信息。
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他们指出，在经典意义上，这种操作是微不足道的，因为任意数量的相同比特序列本质上与一个比特编码的信息相同。然而，对于量子物体来说，情况并非如此。量子力学的概率性质意味着，对不同但相同制备的量子比特进行相同的测量会产生一系列值。因此，准确记录一个量子比特的量子态涉及对多个相同副本进行测量并对结果进行平均。
顺序的重要性
斯坦伯格和他的同事们已经展示了如何通过利用这样一个事实来减少量子比特的增殖：这些物体编码的大部分信息与其排序有关，而不是与其量子态有关。
例如，如果三个量子比特都可以处于 0 和 1 的叠加态，则测量它们将产生八种可能的结果：000、001、010、011、100、101、110 或 111。但对于平均测量值，只有四种选择：0、1/3、2/3 或 1。例如，001 产生 (0+0+1)/3 = 1/3，010 和 100 也一样（数字相同，但顺序不同）；110 产生 (1+1+0)/3 = 2/3，101 和 011 也一样。
研究人员说，由于量子比特是相同的，因此排序中的额外信息可以简单地丢弃。为了说明这一点，斯坦伯格举了一个经典物理学的例子。“保留所有信息，”他说，“就像存储莎士比亚的全集只是为了找出英语中字母的平均使用率一样。” 这些结果将发表在《物理评论快报》上。
这项研究建立在马萨诸塞理工学院（MIT）剑桥分校的艾萨克·庄领导的一组理论物理学家在 2006 年的工作基础上，该小组在数学上证明了可以构建一个电路，该电路可以将量子比特的排列和状态信息分离到单独的寄存器中。斯坦伯格和他的同事们现在已经使用激光和其他光学组件，通过实验演示了该想法的实用三量子比特版本。
通常，每个量子比特都编码在一个光子中，但作者做得更好，仅使用两个光子来编码三个量子比特。他们使用一个光子的偏振和路径信息来编码前两个量子比特，并使用第二个光子的偏振来编码第三个量子比特。
进展顺利
将三个量子比特的数据压缩为两个量子比特可能看起来微不足道，但该团队表示，随着量子比特数量的增加，这个比例将呈指数增长，1,000 个量子比特的状态信息仅由 10 个表示，100 万个量子比特的状态信息则被压缩到 20 个。
然而，加州大学河滨分校的量子物理学家亚历山大·科罗特科夫（未参与这项最新研究）指出，作者的压缩方案不适用于通用量子计算机，该计算机使用高度相关或“纠缠”的量子比特。例如，两个量子比特都可以处于 1 和 0 的叠加态，但当测量时，它们可能总是处于相反的状态，即 10 或 01。
此外，斯洛伐克科学院布拉迪斯拉发分校的理论物理学家马丁·普莱什表示，将该方法扩展到更多数量的光子可能很困难。
斯坦伯格承认了这些困难，并建议可以使用捕获的离子或超导体而不是光子来压缩量子比特。“我们面临的问题正是构建更大量子计算机时面临的问题，”他说。
本文经许可转载，并于 2014 年 9 月 29 日首次发布。