前沿地帶：從量子計算到量子互聯(lián)網(wǎng)

　　當我們進入互聯(lián)網(wǎng)時代，科技進步和社會發(fā)展就建立在了數(shù)據(jù)與計算能力的基礎(chǔ)之上。

　　龐大的數(shù)據(jù)量與快速的計算能力這兩大基本因素決定著我們進入未來社會的速度，而在當前的各種新技術(shù)中，量子計算無疑是最具未來感的新技術(shù)之一。

　　目前，在量子計算領(lǐng)域，無論是理論還是硬件的每一次突破都會成為業(yè)內(nèi)和媒體的焦點，并引發(fā)我們對未來社會的更多憧憬。

　　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)可能更接近于實際應(yīng)用。因為構(gòu)建處理能力遠超傳統(tǒng)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》雜志的一篇論文中，荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員概述了一個由量子連接的量子計算機全球網(wǎng)絡(luò)的六個發(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個發(fā)展階段(來源：Science)

　　作者認為，其中每個階段都在功能提升的同時，伴隨著更大的技術(shù)難度。但作者樂觀地表示：“我們正處于一個激動人心的時刻，類似于經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的前夜?！蓖瑫r，作者還寫道，“最近的技術(shù)進步表明，我們可能會在未來五年內(nèi)看到量子網(wǎng)絡(luò)的首次小規(guī)模實施?！?/p>

　　相對于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，量子通信網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點是速度和安全性。量子糾纏使得原則上可以在任意遠的距離內(nèi)實現(xiàn)即時通信。無論你把兩個糾纏的量子比特分開多遠，在一個量子比特上的作用，都會對另一個量子比特產(chǎn)生即時、可測量的影響。

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

　　從理論上講，竊聽量子對話基本是不可能的事情。在量子力學下，如果你讀取到一個目標對象的量子態(tài)時，它會改變量子態(tài)，這意味著攔截任何以量子態(tài)編碼的信息的行為將會立即造成消息內(nèi)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(gòu)成了一個重大挑戰(zhàn)。它意味著量子比特不能被復制或放大，而這是經(jīng)典通信系統(tǒng)的兩個基本因素。

　　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(jié)點，然后通過光纜發(fā)送或者可能通過衛(wèi)星從空間發(fā)射。

　　但是，由于量子信號會隨傳播而衰減，因此必須將消息從一個節(jié)點傳遞到另一節(jié)點，以覆蓋更長的距離。這些切換中的每一個節(jié)點都是安全的。但是，如果兩個遠程節(jié)點需要通信，則其間的所有節(jié)點都知道消息的內(nèi)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，我們需要開發(fā)可靠的量子中繼器。這是一種能夠與每個節(jié)點建立糾纏量子位的設(shè)備，然后依靠量子隱形傳態(tài)來有效地交換糾纏，從而使兩個節(jié)點糾纏在一起。由這些類型的中繼器連接的網(wǎng)絡(luò)將允許任何節(jié)點之間進行安全地通信，而不必信任任何中間媒介。

　　2017年10月，中國科技大學的科學家首次利用參量下轉(zhuǎn)換光源實現(xiàn)了基于線性光學的量子中繼器中的嵌套糾纏純化和二級糾纏交換過程。這為將來實現(xiàn)基于原子系綜的可擴展線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)則允許兩個節(jié)點以無法被竊聽的方式安全地共享加密密鑰，然后可以用于解碼通過傳統(tǒng)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程會在此刻被擊中或錯過，因此下一階段將是創(chuàng)建一個能夠按需創(chuàng)建糾纏的網(wǎng)絡(luò)。據(jù)研究人員稱，這種“糾纏分布網(wǎng)絡(luò)”的主要優(yōu)點是它將使網(wǎng)絡(luò)設(shè)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)議需要在進一步通信的過程中存儲量子信息。然而，這是一個重大挑戰(zhàn)，因為量子態(tài)會通過一個被稱為量子退相干的過程迅速降級。大多數(shù)技術(shù)方案只保持其狀態(tài)數(shù)秒或幾分之一秒，這對于通信時間比這長的網(wǎng)絡(luò)提出了問題。

　　但如果能夠?qū)崿F(xiàn)，它將使簡單的量子節(jié)點就可以將計算發(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)建一個完全連接的量子計算機網(wǎng)絡(luò)。第一階段將是“幾個量子比特的容錯網(wǎng)絡(luò)”，其中每個節(jié)點的量子計算機還不足以超越標準計算機。盡管如此，它們結(jié)合了容錯性的事實意味著其將執(zhí)行相對復雜的計算并在相當長的時間內(nèi)存儲量子數(shù)據(jù)。

　　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(zhí)行以前不可能的計算，并即時且安全地在世界各地實現(xiàn)共享。

　　通往量子計算的未來還有很長的路要走。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)議的量子等價物，而這在今天幾乎完全缺乏。