量子互联网背后的科学

来源：黑谷量子        图片来源：（网络）

作者：776

量子互联网将和传统的互联网一样，结合自身的优势并且将继续推进发展。

中国已经在某些城市之间实现了量子加密的早期应用，但跨越整个国家的完整量子网络将需要十年的时间。

构建整个量子互联网，将需要从头开始重新设计路由器，硬盘驱动器和计算机的等效产品-今天已经在进行基础工作。 

当现代互联网以经典计算机（现在包括智能手机，平板电脑，扬声器和恒温器的类别）之间的比特流进行流量传输时，量子互联网将携带根本不同的信息单元，即量子比特或者量子位

大自然中最简单的实例—或0的问题。计算机芯片通过停止一些电流而让其他电流流动来处理信息。硬盘驱动器通过将磁铁锁定在向上或向下位置来存储文档。

量子位完全代表了另一种信息处理方式，一种基于原子，电子或其他粒子的行为信息，这些物质受量子力学的奇异规则特性。这些现象比经典计算中僵硬的信息处理拥有更流畅信息处理方式。

例如，硬盘磁铁必须始终指向上方或下方，但是在测量他之前，量子的方向是未知的。更准确地说，量子的行为方式处于叠加状态，（称为叠加态），而不仅仅是“上”或“下”的简单标记。

量子粒子也可以通过一种称为纠缠的关系被束缚在一起，例如当两个光子（光量子）从同一光源发出时。成对的纠缠颗粒具有类似于硬币两个面之间关系的紧密结合-当一个面显示正面时，另一面显示反面。但是，与硬币不同，纠缠的量子可以相互远距离并保持它们的关联。

科学家开发互联网2.0

量子信息科学家将这些现象和其他现象结合在一起，有望提供一种新颖，丰富的信息处理方式-类似于从2-D图形转换为3-D图形，或者学会用小数而不是整数进行计算。

例如，能用自然语言表达的量子设备可以增强科学家通过模拟新的原子结构来设计材料和药物的能力，而无需在实验室中测试其性质。纠缠是因外部篡改而破坏的微妙链接，可以确保设备之间的连接保持私密性。

但是，这样的奇迹仍然需要数年或数十年之遥。叠加态和量子纠缠都是易扰的状态，最难的需要在严酷的低温下保持在与外界混乱完全隔离的机器中。

随着量子计算机科学家寻求扩展对更多细小量子的控制的方法，量子互联网研究人员正在开发将这些量子集合链接在一起所需的技术。

IBM公司

IBM开发的量子计算机原型的内部。当各个团体竞相建造量子计算机时，能源部的研究人员正在寻求将它们连接在一起的方法。

纠缠光子的这种发送和接收相当于量子路由器，但是接下来的研究人员需要量子硬盘驱动器-一种保存他们交换的信息的方法。Kleese van Dam说：“我们正处于风口浪尖，纠缠着数英里的距离。”

当光子从网络中携带信息时，量子存储器将以纠缠原子的形式存储那些量子比特，就像当前的硬盘驱动器使用翻转磁铁来保存比特一样。

在扩大网络规模之前，研究人员将需要发明一种量子中继器-一种可在另一100英里路程内增强萎缩信号的设备。传统的互联网中继器只是复制信息并发出新的光脉冲，但是该过程打破了纠缠（使量子通信免受窃听者窃听的功能）。

相反，研究人员提出了一种方案，通过将量子信号改组为其他形式而无需直接读取就可以放大量子信号。“我们目前正在运行一些原型量子中继器。

中国在量子网络领域的领导者

中国科学技术大学团队在实验室中实现了长距离的量子纠缠，两种实验方案分别实现了 22 公里和 50 公里的量子纠缠，创造了世界纪录。。

50 公里的距离足以连接两座城市，这一实验成果及实验中采用的相关技术或为实现多节点、远距离量子纠缠铺平道路，将是实现长距离量子通信网的重要一步

第一，从源头出发，研究团队在两个量子存储器都设置了环形腔增强（Cavity Enhancement）技术来提升单光子与原子系综间耦合，并优化光路传输效率，将此前的光与原子纠缠的亮度提高了一个数量级。其中，腔增强光路是研究团队自主研制，主要的思路是提升单光子与原子系综间的耦合并降低腔内损耗，最终实现的腔内原子态至光子态转化效率为 90% 左右。

第二，研究团队选择光纤作为连接介质，以光作为传输信息的载体。但是，原子存储器对应的光波长在光纤中的损耗约为 3.5dB/km，在 50 公里光纤中，衰减将达到十亿亿倍（具体衰减倍数为 10 的 17.5 次方），使得量子通信无法实现。

量子计算和量子通信领域无疑是近几年来科研界最炙手可热的领域之一了，基本都是一年好几个重大突破。此次的实验对于实现量子通信具有十分重要的意义。

黑谷量子

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