用量子顛覆世界：量子網際網路時代正在誕生

2020-08-26 STEAM教育在線

7月23日，據外國媒體報導，美國能源部公布了一項將全力打造量子網際網路的計劃，目標是在未來10年內建成全國性的量子網際網路，並希望美國能夠藉此引領量子網際網路新時代。那麼量子網際網路到底是什麼呢？為什麼美國要致力於建立這個「第二網際網路」？量子網際網路在未來發展中會遇到哪些艱難險阻呢？

星際旅行、時光穿梭、平行宇宙……無數科幻小說和影視作品為我們展現了未來科學技術的力量。你可能會認為這些作品都是創作者們憑空想像出來的，其實不然，創作者們都有一個創作的理論基礎，那就是量子力學。

量子力學始於20世紀初，由普朗克、愛因斯坦、薛丁格、玻爾等物理學家為量子力學制定了基本的理論框架。隨著量子技術的不斷發展，雷射、電晶體和核磁共振等現代技術相繼問世，給量子技術領域帶來了新突破。

20世紀末，美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信的概念，所謂量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，通過將量子論和資訊理論相結合來進行研究的一門學科。

一、什麼是量子？

在十九世紀末，科學家們已經搭建了一套完整的科學體系。但是隨著科學家們的不斷艱苦探索，他們發現很多物理現象和實驗結果無法用經典物理學解釋，甚至和傳統的理論認知相悖。

科學家們發現一個物理量存在最小的不可分割的單位，則稱這個物理量是量子化的，並把最小的單位稱為量子。例如，光是由光子組成的，光子就是一種光量子。

說到這裡，大家可能又會有疑問：量子糾纏是什麼？它是一種量子力學現象，是粒子在由兩個或者兩個以上粒子組成的系統中互相影響的現象。

量子糾纏可以用「薛丁格的貓」來幫助理解：把一隻貓放入一個封閉的箱子裡，和貓共處一室的還有一個自動化裝置，內含一個放射性原子：如果原子核發生衰變，就會觸動機關，打破毒藥瓶，釋放毒物，於是貓就會當場斃命。那麼過了一會兒，問這隻貓現在是死了，還是活著呢？我們打開箱子就可以知道這隻貓是死是活，但是不打開箱子，我們就無法知道真相。

以量子物理的微觀角度來解釋，貓的死活取決於原子是否衰變，原子處於「衰」或者是「不衰」的兩種疊加狀態，因此實驗中的這隻貓可以類比於微觀世界的原子，處於「死」和「活」的兩種疊加狀態。

二、量子網際網路究竟是什麼？

量子網際網路是一種基於量子力學原理而建為立的新型網際網路，利用了量子物理學的獨特效應。其實，早在量子物理學發展早期階段，世界各地的研究團隊就已經開展了將量子技術運用於網際網路的研究工作。量子網際網路的基本資源是量子比特和量子糾纏，此外，量子網際網路同樣可以像現有的網際網路那樣對量子信息進行傳遞、處理和存儲。

根據《美國量子網絡戰略遠景報告》，量子網際網路的核心組成部分主要有量子探測器、糾纏態和超糾纏態以及量子態的傳輸，控制和測量、用於量子源的傳統源的信號轉換器、更可靠的量子存儲緩衝器和小型量子計算機以及可以進行長距離糾纏分布的量子中繼器。

目前，從全球來看，量子網絡技術處於研發的早期階段，近日，為了推進全球量子網絡技術基礎的發展，美國能源部公布了量子網際網路發展的藍圖，以確保美國成為引領全球量子技術的先驅者。與歐美國家相比，中國起步較晚，但在過去二十年年，中國在量子通信技術上飛速進步，目前已經成為國際領跑者。

三、量子網際網路的出現將帶來什麼？

據了解，量子網際網路具有特殊的訪問方式，每一次訪問都會留下不可磨滅的「痕跡」。由於對量子體的任何測量行為都是量子體的一次修改，所以任何窺探量子信息的企圖都會留下馬腳，從而可以被量子信息的接收者監測到。在量子網際網路的幫助下，我們通信時隱私的絕對安全能夠得到保證。

不僅如此，科學家們還可以使用量子網絡技術進行經典計算機無法實現的實驗，例如模擬分子或材料的量子物理學，運用此技術可以大幅度地提高引力波等現象的精確度，甚至可以連接量子來銳化圖像。如果量子網際網路被廣泛運用，那麼它必然能給科學家們在漫長的探索道路中帶來一片光明。

圖為量子計算機

在未來，隨著量子網際網路的全力發展，量子網際網路有極大可能會取代今天的網際網路。量子網絡的各種運用都會在科學家們的研究中被不斷發現，可以想像，在幾十年的今後，我們的數據信息不再會丟失，電腦也不再容易死機，隱私也不再被洩露，許多當今出現的網絡問題都會被迎刃而解。

四、量子網際網路離我們還有多遠？

北京大學自動化學院教授王健全教授表示，理論和設備是量子網際網路發展的兩道坎。從理論的角度來看，量子網際網路和現代網際網路的所遵循的理論不同，現有的網際網路遵循的是基本的通訊理論，而量子網際網路遵循的是量子力學。

由於量子網際網路的概念剛提出不久，量子網際網路系統理論還未完全建立。許多設備還處於研發的初步階段，發展過程還存在諸多的不確定性，因此量子網際網路的全面運用還需要好長一段路要走。

來源：STEAM在線根據科技日報、百度百科等資料整理

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