量子網際網路背後的科學

來源：黑谷量子 圖片來源：（網絡）

作者：776

量子網際網路將和傳統的網際網路一樣，結合自身的優勢並且將繼續推進發展。

中國已經在某些城市之間實現了量子加密的早期應用，但跨越整個國家的完整量子網絡將需要十年的時間。

構建整個量子網際網路，將需要從頭開始重新設計路由器，硬碟驅動器和計算機的等效產品-今天已經在進行基礎工作。

當現代網際網路以經典計算機（現在包括智慧型手機，平板電腦，揚聲器和恆溫器的類別）之間的比特流進行流量傳輸時，量子網際網路將攜帶根本不同的信息單元，即量子比特或者量子位

大自然中最簡單的實例—或0的問題。計算機晶片通過停止一些電流而讓其他電流流動來處理信息。硬碟驅動器通過將磁鐵鎖定在向上或向下位置來存儲文檔。

量子位完全代表了另一種信息處理方式，一種基於原子，電子或其他粒子的行為信息，這些物質受量子力學的奇異規則特性。這些現象比經典計算中僵硬的信息處理擁有更流暢信息處理方式。

例如，硬碟磁鐵必須始終指向上方或下方，但是在測量他之前，量子的方向是未知的。更準確地說，量子的行為方式處於疊加狀態，（稱為疊加態），而不僅僅是「上」或「下」的簡單標記。

量子粒子也可以通過一種稱為糾纏的關係被束縛在一起，例如當兩個光子（光量子）從同一光源發出時。成對的糾纏顆粒具有類似於硬幣兩個面之間關係的緊密結合-當一個面顯示正面時，另一面顯示反面。但是，與硬幣不同，糾纏的量子可以相互遠距離並保持它們的關聯。

科學家開發網際網路2.0

量子信息科學家將這些現象和其他現象結合在一起，有望提供一種新穎，豐富的信息處理方式-類似於從2-D圖形轉換為3-D圖形，或者學會用小數而不是整數進行計算。

例如，能用自然語言表達的量子設備可以增強科學家通過模擬新的原子結構來設計材料和藥物的能力，而無需在實驗室中測試其性質。糾纏是因外部篡改而破壞的微妙連結，可以確保設備之間的連接保持私密性。

但是，這樣的奇蹟仍然需要數年或數十年之遙。疊加態和量子糾纏都是易擾的狀態，最難的需要在嚴酷的低溫下保持在與外界混亂完全隔離的機器中。

隨著量子計算機科學家尋求擴展對更多細小量子的控制的方法，量子網際網路研究人員正在開發將這些量子集合連結在一起所需的技術。

IBM公司

IBM開發的量子計算機原型的內部。當各個團體競相建造量子計算機時，能源部的研究人員正在尋求將它們連接在一起的方法。

糾纏光子的這種發送和接收相當於量子路由器，但是接下來的研究人員需要量子硬碟驅動器-一種保存他們交換的信息的方法。Kleese van Dam說：「我們正處於風口浪尖，糾纏著數英裡的距離。」

當光子從網絡中攜帶信息時，量子存儲器將以糾纏原子的形式存儲那些量子比特，就像當前的硬碟驅動器使用翻轉磁鐵來保存比特一樣。

在擴大網絡規模之前，研究人員將需要發明一種量子中繼器-一種可在另一100英裡路程內增強萎縮信號的設備。傳統的網際網路中繼器只是複製信息並發出新的光脈衝，但是該過程打破了糾纏（使量子通信免受竊聽者竊聽的功能）。

相反，研究人員提出了一種方案，通過將量子信號改組為其他形式而無需直接讀取就可以放大量子信號。「我們目前正在運行一些原型量子中繼器。

中國在量子網絡領域的領導者

中國科學技術大學團隊在實驗室中實現了長距離的量子糾纏，兩種實驗方案分別實現了 22 公裡和 50 公裡的量子糾纏，創造了世界紀錄。。

50 公裡的距離足以連接兩座城市，這一實驗成果及實驗中採用的相關技術或為實現多節點、遠距離量子糾纏鋪平道路，將是實現長距離量子通信網的重要一步

第一，從源頭出發，研究團隊在兩個量子存儲器都設置了環形腔增強（Cavity Enhancement）技術來提升單光子與原子系綜間耦合，並優化光路傳輸效率，將此前的光與原子糾纏的亮度提高了一個數量級。其中，腔增強光路是研究團隊自主研製，主要的思路是提升單光子與原子系綜間的耦合併降低腔內損耗，最終實現的腔內原子態至光子態轉化效率為 90% 左右。

第二，研究團隊選擇光纖作為連接介質，以光作為傳輸信息的載體。但是，原子存儲器對應的光波長在光纖中的損耗約為 3.5dB/km，在 50 公裡光纖中，衰減將達到十億億倍（具體衰減倍數為 10 的 17.5 次方），使得量子通信無法實現。

量子計算和量子通信領域無疑是近幾年來科研界最炙手可熱的領域之一了，基本都是一年好幾個重大突破。此次的實驗對於實現量子通信具有十分重要的意義。

黑谷量子

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