前沿地帶：從量子計算到量子互聯(lián)網(wǎng)

　　當我們進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，科技進(jìn)步和社會(huì )發(fā)展就建立在了數據與計算能力的基礎之上。

　　龐大的數據量與快速的計算能力這兩大基本因素決定著(zhù)我們進(jìn)入未來(lái)社會(huì )的速度，而在當前的各種新技術(shù)中，量子計算無(wú)疑是最具未來(lái)感的新技術(shù)之一。

　　目前，在量子計算領(lǐng)域，無(wú)論是理論還是硬件的每一次突破都會(huì )成為業(yè)內和媒體的焦點(diǎn)，并引發(fā)我們對未來(lái)社會(huì )的更多憧憬。

　　研究認為，雖然量子計算機正在登上各種頭條新聞，但量子通信技術(shù)可能更接近于實(shí)際應用。因為構建處理能力遠超傳統計算機的量子計算機將需要非常大的量子比特網(wǎng)絡(luò )，但你只需要更少的努力就可以搭建有用的通信網(wǎng)絡(luò )。

　　在《科學(xué)》雜志的一篇論文中，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員概述了一個(gè)由量子連接的量子計算機全球網(wǎng)絡(luò )的六個(gè)發(fā)展階段，并指出我們目前正處于最底層的階段。

　　量子互聯(lián)網(wǎng)6個(gè)發(fā)展階段(來(lái)源：Science)

　　作者認為，其中每個(gè)階段都在功能提升的同時(shí)，伴隨著(zhù)更大的技術(shù)難度。但作者樂(lè )觀(guān)地表示：“我們正處于一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，類(lèi)似于經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的前夜?！蓖瑫r(shí)，作者還寫(xiě)道，“最近的技術(shù)進(jìn)步表明，我們可能會(huì )在未來(lái)五年內看到量子網(wǎng)絡(luò )的首次小規模實(shí)施?！?/p>

　　相對于傳統通信網(wǎng)絡(luò )，量子通信網(wǎng)絡(luò )的主要優(yōu)點(diǎn)是速度和安全性。量子糾纏使得原則上可以在任意遠的距離內實(shí)現即時(shí)通信。無(wú)論你把兩個(gè)糾纏的量子比特分開(kāi)多遠，在一個(gè)量子比特上的作用，都會(huì )對另一個(gè)量子比特產(chǎn)生即時(shí)、可測量的影響。

　　目前，我國在量子通信應用方面已走在世界前列。2017年6月16日，我國量子科學(xué)實(shí)驗衛星墨子號首先成功實(shí)現，兩個(gè)量子糾纏光子被分發(fā)到相距超過(guò)1200公里的距離后，仍可繼續保持其量子糾纏的狀態(tài)。

　　從理論上講，竊聽(tīng)量子對話(huà)基本是不可能的事情。在量子力學(xué)下，如果你讀取到一個(gè)目標對象的量子態(tài)時(shí)，它會(huì )改變量子態(tài)，這意味著(zhù)攔截任何以量子態(tài)編碼的信息的行為將會(huì )立即造成消息內容的改變。

　　但是，使得量子通信在本質(zhì)上安全的特性同樣也構成了一個(gè)重大挑戰。它意味著(zhù)量子比特不能被復制或放大，而這是經(jīng)典通信系統的兩個(gè)基本因素。

　　盡管如此，工作量子“可信中繼器網(wǎng)絡(luò )”已經(jīng)投入運行。研究人員認為這是邁向全量子互聯(lián)網(wǎng)的第一步。這些網(wǎng)絡(luò )具有可以編碼和解碼量子位的節點(diǎn)，然后通過(guò)光纜發(fā)送或者可能通過(guò)衛星從空間發(fā)射。

　　但是，由于量子信號會(huì )隨傳播而衰減，因此必須將消息從一個(gè)節點(diǎn)傳遞到另一節點(diǎn)，以覆蓋更長(cháng)的距離。這些切換中的每一個(gè)節點(diǎn)都是安全的。但是，如果兩個(gè)遠程節點(diǎn)需要通信，則其間的所有節點(diǎn)都知道消息的內容，因此如果消息要保持安全，則必須被信任。

　　研究人員表示，為了達到下一階段，我們需要開(kāi)發(fā)可靠的量子中繼器。這是一種能夠與每個(gè)節點(diǎn)建立糾纏量子位的設備，然后依靠量子隱形傳態(tài)來(lái)有效地交換糾纏，從而使兩個(gè)節點(diǎn)糾纏在一起。由這些類(lèi)型的中繼器連接的網(wǎng)絡(luò )將允許任何節點(diǎn)之間進(jìn)行安全地通信，而不必信任任何中間媒介。

　　2017年10月，中國科技大學(xué)的科學(xué)家首次利用參量下轉換光源實(shí)現了基于線(xiàn)性光學(xué)的量子中繼器中的嵌套糾纏純化和二級糾纏交換過(guò)程。這為將來(lái)實(shí)現基于原子系綜的可擴展線(xiàn)性光量子中繼器提供了前瞻性的技術(shù)指引。

　　量子密鑰分發(fā)則允許兩個(gè)節點(diǎn)以無(wú)法被竊聽(tīng)的方式安全地共享加密密鑰，然后可以用于解碼通過(guò)傳統通信信道發(fā)送的加密消息。

　　然而，糾纏遠距離量子比特的過(guò)程會(huì )在此刻被擊中或錯過(guò)，因此下一階段將是創(chuàng )建一個(gè)能夠按需創(chuàng )建糾纏的網(wǎng)絡(luò )。據研究人員稱(chēng)，這種“糾纏分布網(wǎng)絡(luò )”的主要優(yōu)點(diǎn)是它將使網(wǎng)絡(luò )設備獨立。

　　之后，量子存儲器的發(fā)展將允許更復雜的通信協(xié)議，這些協(xié)議需要在進(jìn)一步通信的過(guò)程中存儲量子信息。然而，這是一個(gè)重大挑戰，因為量子態(tài)會(huì )通過(guò)一個(gè)被稱(chēng)為量子退相干的過(guò)程迅速降級。大多數技術(shù)方案只保持其狀態(tài)數秒或幾分之一秒，這對于通信時(shí)間比這長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )提出了問(wèn)題。

　　但如果能夠實(shí)現，它將使簡(jiǎn)單的量子節點(diǎn)就可以將計算發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上的量子計算機，從而可能創(chuàng )建一種量子云。

　　最終，目標是創(chuàng )建一個(gè)完全連接的量子計算機網(wǎng)絡(luò )。第一階段將是“幾個(gè)量子比特的容錯網(wǎng)絡(luò )”，其中每個(gè)節點(diǎn)的量子計算機還不足以超越標準計算機。盡管如此，它們結合了容錯性的事實(shí)意味著(zhù)其將執行相對復雜的計算并在相當長(cháng)的時(shí)間內存儲量子數據。

　　最后階段，將是這些量子計算機最終超越其前輩，從而有可能創(chuàng )建分布式計算機網(wǎng)絡(luò )，能夠執行以前不可能的計算，并即時(shí)且安全地在世界各地實(shí)現共享。

　　通往量子計算的未來(lái)還有很長(cháng)的路要走。我們需要更好的編碼、存儲和傳輸量子信息的方法，甚至更重要的是，我們需要建立互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的量子等價(jià)物，而這在今天幾乎完全缺乏。