前沿地帶：從量子計算到量子互聯網

　　當我們進入互聯網時代，科技進步和社會發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我們進入未來社會的速度，而在當前的各種新技術中，量子計算無疑是最具未來感的新技術之一。

　　目前，在量子計算領域，無論是理論還是硬件的每一次突破都會成為業內和媒體的焦點，并引發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，但量子通信技術可能更接近于實際應用。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絡，但你只需要更少的努力就可以搭建有用的通信網絡。

　　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絡的六個發展階段，并指出我們目前正處于最底層的階段。

　　量子互聯網6個發展階段(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，類似于經典互聯網的前夜?！蓖瑫r，作者還寫道，“最近的技術進步表明，我們可能會在未來五年內看到量子網絡的首次小規模實施?！?/p>

　　相對于傳統通信網絡，量子通信網絡的主要優點是速度和安全性。量子糾纏使得原則上可以在任意遠的距離內實現即時通信。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生即時、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，我國量子科學實驗衛星墨子號首先成功實現，兩個量子糾纏光子被分發到相距超過1200公里的距離后，仍可繼續保持其量子糾纏的狀態。

　　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時，它會改變量子態，這意味著攔截任何以量子態編碼的信息的行為將會立即造成消息內容的改變。

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

　　盡管如此，工作量子“可信中繼器網絡”已經投入運行。研究人員認為這是邁向全量子互聯網的第一步。這些網絡具有可以編碼和解碼量子位的節點，然后通過光纜發送或者可能通過衛星從空間發射。

　　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點傳遞到另一節點，以覆蓋更長的距離。這些切換中的每一個節點都是安全的。但是，如果兩個遠程節點需要通信，則其間的所有節點都知道消息的內容，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，我們需要開發可靠的量子中繼器。這是一種能夠與每個節點建立糾纏量子位的設備，然后依靠量子隱形傳態來有效地交換糾纏，從而使兩個節點糾纏在一起。由這些類型的中繼器連接的網絡將允許任何節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換光源實現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指引。

　　量子密鑰分發則允許兩個節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通信信道發送的加密消息。

　　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建一個能夠按需創建糾纏的網絡。據研究人員稱，這種“糾纏分布網絡”的主要優點是它將使網絡設備獨立。

　　之后，量子存儲器的發展將允許更復雜的通信協議，這些協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，因為量子態會通過一個被稱為量子退相干的過程迅速降級。大多數技術方案只保持其狀態數秒或幾分之一秒，這對于通信時間比這長的網絡提出了問題。

　　但如果能夠實現，它將使簡單的量子節點就可以將計算發送到網絡上的量子計算機，從而可能創建一種量子云。

　　最終，目標是創建一個完全連接的量子計算機網絡。第一階段將是“幾個量子比特的容錯網絡”，其中每個節點的量子計算機還不足以超越標準計算機。盡管如此，它們結合了容錯性的事實意味著其將執行相對復雜的計算并在相當長的時間內存儲量子數據。

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

　　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，我們需要建立互聯網通信協議的量子等價物，而這在今天幾乎完全缺乏。