Nature:什么是量子互联网?


    一个物理学家团队预测,未来的“量子互联网”可能在技术成熟很久之前就会被使用。

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利用量子物理学的独特效应的这种网络将与我们今天使用的经典互联网有本质的不同。全世界的研究小组已经在其早期发展阶段开展了工作。 第一阶段确保在通信中几乎牢不可破的隐私和安全; 一个更成熟的网络可能包括一系列科学应用,而这些应用是传统系统无法实现的,包括可以探测引力波的量子传感器。荷兰代尔夫特理工大学的一个着名的量子互联网研究团队现在发布了一个路线图,阐述了网络复杂性的各个阶段 – 并详细说明了每个阶段所涉及的技术挑战。 他们的预测在10月18日的Science中有所描述。

Nature:什么是量子互联网?

氮空位中心的原型

量子差异


研究人员认为,这种技术可以弥补而不是取代现有的互联网。最终可以扩展到大型用户,比如高校实验室和个人消费者,尽管他们没有给出时间尺度。他们说,这与量子计算机形成鲜明对比 – 物理学家正在狂热地研究另一种未来主义技术,旨在建造能够超越传统计算机的机器。理论物理学家斯蒂芬妮·韦纳说:“在量子计算领域,它更具有全面的优势。”她与代尔夫特同事大卫·埃尔库斯和罗纳德·汉森共同撰写了这篇论文。德国斯图加特大学的量子物理学家Stefanie Barz 对此表示赞同。她和其他人说,很难预测哪种技术将首先出现 – 广泛采用的量子互联网或有效的量子计算机但是量子网络有一个很大的优势,Barz说:“这样的网络可以逐步建立,并且可以在每一步中添加不同的功能”。该路线图还旨在为涉及不同背景的研究人员建立一个共同语言,包括信息技术,计算机科学,工程和物理。 汉森是共同领导代尔夫特集团推动建立一个连接四个荷兰城市的量子互联网示范的实验性物理学家。他说道“人们谈论量子网络意味着截然不同的事情”。东京庆应义塾大学的量子网络工程师Rodney Van Meter表示,该论文有助于明确该领域的目标。 它为我们提供了一个新的专业术语表来理解我们正在开发的内容。他说道:“文档阐明应用程序的方式也可以帮助研究人员向潜在投资者解释他们的建议。 “通过这个路线图,我们可以进行这种对话。

六个阶段

量子网络和量子计算共享了许多概念和技术。 两者都利用了在经典物理学中没有对应的现象:例如,诸如电子或光子可以处于两种明确定义的自旋态之一,顺时针或逆时针 。 但也可以处于两者的叠加。 甚至共享共同的量子态两个粒子可以“纠缠”。 这样即使它们相隔很远,彼此也能够相互影响。

量子互联网的六个步骤

研究人员已经明确了未来量子互联网可以达到的六个复杂阶段,以及每个阶段用户可以做什么。

(0) 可信节点网络:用户可以接收量子生成的代码但不能发送或接收量子状态。任何两个终端用户都可以共享加密密钥(但服务提供商也会知道它)。
(1) 准备和测量:终端用户可以接收和测量量子态(但不一定涉及纠缠的量子现象)。两个终端用户只有在他们知道的情况下才能共享私钥。此外,用户可以在不泄露密码的情况下验证密码。
(2) 纠缠分布网络:这些提供了最强大的量子加密性能,任何两个终端用户都可以获得纠缠状态(但不能存储它们)。
(3) 量子存储器网络:这些网络实现了云量子计算,任何两个终端用户获取和存储纠缠的量子比特,并且可以相互传送量子信息。
(4)&(5)量子计算网络:此阶段将实现不同程度的分布式量子计算和量子传感器,并应用于科学实验。网络上的设备是成熟的量子计算机(能够对数据传输进行纠错)。

代尔夫特团队为量子互联网的发展规划了六个阶段(参见“量子互联网的六个步骤”)。
第一个 – 他们说是一种阶段(0),因为它没有描述真正的量子互联网 – 是一个网络,使用户能够建立一个通用的加密密钥,以便他们可以安全地共享他们的(经典)数据。量子物理仅在后台发生:服务提供商使用它来创建密钥。但是提供者也知道密钥,这意味着用户必须信任它。这种类型的网络已经存在,尤其是在中国,它延伸了2000多公里,连接了京沪干线的主要城市。
在第(1)阶段,用户将开始使用量子游戏,其中发送者可以采用光子”制备“量子态。这些可以沿着光纤或者通过在开放空间中发射的激光脉冲被发送到接收器。在此阶段,任何两个用户都可以创建只有他们知道的私有加密密钥。
该技术还可以辅助用户能够将量子密码提交给诸如ATM之类的机器。Wehner说:“
第一阶段尚未进行大规模试验,尽管它会非常缓慢,但在小城市规模上已经具备了技术可行性”。由合肥中国科技大学潘建伟领导的一个小组在2017年创造了这种传输的世界纪录,当时他们用一颗卫星连接了两个相距1200多公里的实验室。
在第二阶段,量子互联网将利用量子的纠缠性质。它的第一个目标是使量子加密无条件的安全。这个阶段所需的大多数技术已经存在,至少作为基本的实验室演示已经实现了。阶段(3)到(5)将首次使任何两个用户能够存储和交换量子比特。量子比特是量子信息单位,类似于经典的1和0,但它们可以同时叠加1和0,同时也是量子计算的基础。 (许多实验室 – 无论是在学术界还是在企业,如IBM或谷歌 – 都在构建越来越复杂的量子计算机;而最先进的实验室拥有可以容纳几十个量子比特的存储器。)进入最后阶段需要几个突破。 Hanson的团队一直处于这些努力的最前沿,并且正致力于构建第一个“量子中继器” – 这种设备可以帮助在越来越远的距离上是分离的两个量子比特纠缠起来。

时钟和选举

科学家们可能是 最高阶段网络的早期使用者。实验室将远程连接到第一台高级量子计算机,或将这些计算机连接起来作为一台计算机。然后,他们可以使用这些系统进行经典机器无法实现的实验,例如,模拟分子或材料的量子物理学。量子时钟网络可以极大地提高引力波等现象的测量精度,遥远的光学望远镜可以连接它们的量子比特以锐化图像。但也可能存在科学之外的应用。在一次选举中,第(5)阶段的量子互联网可以让选民不仅可以选择一个候选人,而且可以选择候选人的“叠加”,其中包括他们的第二个选择。 “量子选民”,马萨诸塞州剑桥市哈佛 – 史密森尼天体物理中心的物理学家尼科尔·云格尔·哈尔彭说,他可以使用“古典选民无法实施的战略投票计划”。量子技术可能有助于大型团体协调并达成共识,例如,验证比特币等电子货币。

康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学理论物理学家Liang Jiang 表示,路线图对更广泛的量子社区有用,但主要侧重于代尔夫特集团采用的技术类型。 例如,Jiang和合作者去年发表的理论工作表明,中小规模的网络可以基于微波而不是激光脉冲。对于这些应用程序是否真正有用,或者量子互联网是否足够复杂以使其广泛可用,研究人员的意见并不是一致的。 但有些人乐观。 “我毫不怀疑它会在某个时刻存在,”Wehner说。 但是,她补充说,“我认为这需要很长时间”。

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