前沿地帶：從量子計(jì)算到量子互聯(lián)網(wǎng)

　　當(dāng)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(shù)據(jù)與計(jì)算能力的基礎(chǔ)之上。

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

　　目前，在量子計(jì)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(nèi)和媒體的焦點(diǎn)，并引發(fā)我們對(duì)未來(lái)社會(huì)的更多憧憬。

　　研究認(rèn)為，雖然量子計(jì)算機(jī)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(yīng)用。因?yàn)闃?gòu)建處理能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(rèn)為，其中每個(gè)階段都在功能提升的同時(shí)，伴隨著更大的技術(shù)難度。但作者樂(lè)觀地表示：“我們正處于一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，類似于經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的前夜?！蓖瑫r(shí)，作者還寫道，“最近的技術(shù)進(jìn)步表明，我們可能會(huì)在未來(lái)五年內(nèi)看到量子網(wǎng)絡(luò)的首次小規(guī)模實(shí)施?！?/p>

　　相對(duì)于傳統(tǒng)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(yuǎn)的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信。無(wú)論你把兩個(gè)糾纏的量子比特分開多遠(yuǎn)，在一個(gè)量子比特上的作用，都會(huì)對(duì)另一個(gè)量子比特產(chǎn)生即時(shí)、可測(cè)量的影響。

　　目前，我國(guó)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(guó)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)首先成功實(shí)現(xiàn)，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(xù)保持其量子糾纏的狀態(tài)。

　　從理論上講，竊聽(tīng)量子對(duì)話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(biāo)對(duì)象的量子態(tài)時(shí)，它會(huì)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(huì)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(gè)重大挑戰(zhàn)。它意味著量子比特不能被復(fù)制或放大，而這是經(jīng)典通信系統(tǒng)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(yùn)行。研究人員認(rèn)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(diǎn)，然后通過(guò)光纜發(fā)送或者可能通過(guò)衛(wèi)星從空間發(fā)射。

　　但是，由于量子信號(hào)會(huì)隨傳播而衰減，因此必須將消息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一節(jié)點(diǎn)，以覆蓋更長(zhǎng)的距離。這些切換中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是安全的。但是，如果兩個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)需要通信，則其間的所有節(jié)點(diǎn)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(dá)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(gè)節(jié)點(diǎn)建立糾纏量子位的設(shè)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(jié)點(diǎn)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(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(guó)科技大學(xué)的科學(xué)家首次利用參量下轉(zhuǎn)換光源實(shí)現(xiàn)了基于線性光學(xué)的量子中繼器中的嵌套糾纏純化和二級(jí)糾纏交換過(guò)程。這為將來(lái)實(shí)現(xiàn)基于原子系綜的可擴(kuò)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(gè)節(jié)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(tǒng)通信信道發(fā)送的加密消息。

　　然而，糾纏遠(yuǎn)距離量子比特的過(guò)程會(huì)在此刻被擊中或錯(cuò)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(jù)研究人員稱，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(shè)備獨(dú)立。

　　之后，量子存儲(chǔ)器的發(fā)展將允許更復(fù)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(chǔ)量子信息。然而，這是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)榱孔討B(tài)會(huì)通過(guò)一個(gè)被稱為量子退相干的過(guò)程迅速降級(jí)。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(duì)于通信時(shí)間比這長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)提出了問(wèn)題。

　　但如果能夠?qū)崿F(xiàn)，它將使簡(jiǎn)單的量子節(jié)點(diǎn)就可以將計(jì)算發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的量子計(jì)算機(jī)，從而可能創(chuàng)建一種量子云。

　　最終，目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)完全連接的量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。第一階段將是“幾個(gè)量子比特的容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)”，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子計(jì)算機(jī)還不足以超越標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)。盡管如此，它們結(jié)合了容錯(cuò)性的事實(shí)意味著其將執(zhí)行相對(duì)復(fù)雜的計(jì)算并在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)量子數(shù)據(jù)。

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

　　通往量子計(jì)算的未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。我們需要更好的編碼、存儲(chǔ)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。