前沿地带：从量子计算到量子互联网

来源：资本实验室

当我们进入互联网时代，科技进步和社会发展就建立在了数据与计算能力的基础之上。

庞大的数据量与快速的计算能力这两大基本因素决定着我们进入未来社会的速度，而在当前的各种新技术中，量子计算无疑是最具未来感的新技术之一。

目前，在量子计算领域，无论是理论还是硬件的每一次突破都会成为业内和媒体的焦点，并引发我们对未来社会的更多憧憬。

研究认为，虽然量子计算机正在登上各种头条新闻，但量子通信技术可能更接近于实际应用。因为构建处理能力远超传统计算机的量子计算机将需要非常大的量子比特网络，但你只需要更少的努力就可以搭建有用的通信网络。

在《科学》杂志的一篇论文中，荷兰代尔夫特理工大学的研究人员概述了一个由量子连接的量子计算机全球网络的六个发展阶段，并指出我们目前正处于最底层的阶段。

量子互联网的6个发展阶段(来源：Science)

作者认为，其中每个阶段都在功能提升的同时，伴随着更大的技术难度。但作者乐观地表示：“我们正处于一个激动人心的时刻，类似于经典互联网的前夜。”同时，作者还写道，“最近的技术进步表明，我们可能会在未来五年内看到量子网络的首次小规模实施。”

相对于传统通信网络，量子通信网络的主要优点是速度和安全性。量子纠缠使得原则上可以在任意远的距离内实现即时通信。无论你把两个纠缠的量子比特分开多远，在一个量子比特上的作用，都会对另一个量子比特产生即时、可测量的影响。

目前，我国在量子通信应用方面已走在世界前列。2017年6月16日，我国量子科学实验卫星墨子号首先成功实现，两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离后，仍可继续保持其量子纠缠的状态。

从理论上讲，窃听量子对话基本是不可能的事情。在量子力学下，如果你读取到一个目标对象的量子态时，它会改变量子态，这意味着拦截任何以量子态编码的信息的行为将会立即造成消息内容的改变。

但是，使得量子通信在本质上安全的特性同样也构成了一个重大挑战。它意味着量子比特不能被复制或放大，而这是经典通信系统的两个基本因素。

尽管如此，工作量子“可信中继器网络”已经投入运行。研究人员认为这是迈向全量子互联网的第一步。这些网络具有可以编码和解码量子位的节点，然后通过光缆发送或者可能通过卫星从空间发射。

但是，由于量子信号会随传播而衰减，因此必须将消息从一个节点传递到另一节点，以覆盖更长的距离。这些切换中的每一个节点都是安全的。但是，如果两个远程节点需要通信，则其间的所有节点都知道消息的内容，因此如果消息要保持安全，则必须被信任。

研究人员表示，为了达到下一阶段，我们需要开发可靠的量子中继器。这是一种能够与每个节点建立纠缠量子位的设备，然后依靠量子隐形传态来有效地交换纠缠，从而使两个节点纠缠在一起。由这些类型的中继器连接的网络将允许任何节点之间进行安全地通信，而不必信任任何中间媒介。

2017年10月，中国科技大学的科学家首次利用参量下转换光源实现了基于线性光学的量子中继器中的嵌套纠缠纯化和二级纠缠交换过程。这为将来实现基于原子系综的可扩展线性光量子中继器提供了前瞻性的技术指引。

量子密钥分发则允许两个节点以无法被窃听的方式安全地共享加密密钥，然后可以用于解码通过传统通信信道发送的加密消息。

然而，纠缠远距离量子比特的过程会在此刻被击中或错过，因此下一阶段将是创建一个能够按需创建纠缠的网络。据研究人员称，这种“纠缠分布网络”的主要优点是它将使网络设备独立。

之后，量子存储器的发展将允许更复杂的通信协议，这些协议需要在进一步通信的过程中存储量子信息。然而，这是一个重大挑战，因为量子态会通过一个被称为量子退相干的过程迅速降级。大多数技术方案只保持其状态数秒或几分之一秒，这对于通信时间比这长的网络提出了问题。

但如果能够实现，它将使简单的量子节点就可以将计算发送到网络上的量子计算机，从而可能创建一种量子云。

最终，目标是创建一个完全连接的量子计算机网络。第一阶段将是“几个量子比特的容错网络”，其中每个节点的量子计算机还不足以超越标准计算机。尽管如此，它们结合了容错性的事实意味着其将执行相对复杂的计算并在相当长的时间内存储量子数据。

最后阶段，将是这些量子计算机最终超越其前辈，从而有可能创建分布式计算机网络，能够执行以前不可能的计算，并即时且安全地在世界各地实现共享。

通往量子计算的未来还有很长的路要走。我们需要更好的编码、存储和传输量子信息的方法，甚至更重要的是，我们需要建立互联网通信协议的量子等价物，而这在今天几乎完全缺乏。

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