前沿地帶：從量子計算到量子網際網路
資本實驗室·今日創新觀察
聚焦前沿科技創新與傳統產業升級
齊達
當我們進入網際網路時代，科技進步和社會發展就建立在了資料與計算能力的基礎之上。
龐大的資料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，無論是理論還是硬體的每一次突破都會成為業內和媒體的焦點，並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，但量子通訊技術可能更接近於實際應用。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位元網路，但你只需要更少的努力就可以搭建有用的通訊網路。
在《科學》雜誌的一篇論文中，荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員概述了一個由量子連線的量子計算機全球網路的六個發展階段，並指出我們目前正處於最底層的階段。
量子網際網路的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：“我們正處於一個激動人心的時刻，類似於經典網際網路的前夜。”同時，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路的首次小規模實施。”
相對於傳統通訊網路，量子通訊網路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訊。無論你把兩個糾纏的量子位元分開多遠，在一個量子位元上的作用，都會對另一個量子位元產生即時、可測量的影響。
目前，我國在量子通訊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公里的距離後，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物件的量子態時，它會改變數子態，這意味著攔截任何以量子態編碼的資訊的行為將會立即造成訊息內容的改變。
但是，使得量子通訊在本質上安全的特性同樣也構成了一個重大挑戰。它意味著量子位元不能被複制或放大，而這是經典通訊系統的兩個基本因素。
儘管如此，工作量子“可信中繼器網路”已經投入執行。研究人員認為這是邁向全量子網際網路的第一步。這些網路具有可以編碼和解碼量子位的節點，然後通過光纜傳送或者可能通過衛星從空間發射。
但是，由於量子訊號會隨傳播而衰減，因此必須將訊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，如果兩個遠端節點需要通訊，則其間的所有節點都知道訊息的內容，因此如果訊息要保持安全，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裝置，然後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。由這些型別的中繼器連線的網路將允許任何節點之間進行安全地通訊，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於線性光學的量子中繼器中的巢狀糾纏純化和二級糾纏交換過程。這為將來實現基於原子系綜的可擴充套件線性光量子中繼器提供了前瞻性的技術指引。
量子金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金鑰，然後可以用於解碼通過傳統通訊通道傳送的加密訊息。
然而，糾纏遠距離量子位元的過程會在此刻被擊中或錯過，因此下一階段將是建立一個能夠按需建立糾纏的網路。據研究人員稱，這種“糾纏分佈網路”的主要優點是它將使網路裝置獨立。
之後，量子儲存器的發展將允許更復雜的通訊協議，這些協議需要在進一步通訊的過程中儲存量子資訊。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，這對於通訊時間比這長的網路提出了問題。
但如果能夠實現，它將使簡單的量子節點就可以將計算髮送到網路上的量子計算機，從而可能建立一種量子云。
最終，目標是建立一個完全連線的量子計算機網路。第一階段將是“幾個量子位元的容錯網路”，其中每個節點的量子計算機還不足以超越標準計算機。儘管如此，它們結合了容錯性的事實意味著其將執行相對複雜的計算並在相當長的時間記憶體儲量子資料。
最後階段，將是這些量子計算機最終超越其前輩，從而有可能建立分散式計算機網路，能夠執行以前不可能的計算，並即時且安全地在世界各地實現共享。