量子技術(shù)是一個(gè)領(lǐng)域，一旦出現(xiàn)，可能會(huì)改變許多基于技術(shù)的應(yīng)用程序的面貌。盡管量子技術(shù)還不成熟，但科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)法制造出可以使用量子網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，盡管在低溫下傳輸時(shí)間僅為納秒級(jí)。然而，正在取得進(jìn)展——半導(dǎo)體目前作為基本構(gòu)建塊處于領(lǐng)先地位——如果你看看過去幾十年經(jīng)典計(jì)算技術(shù)取得的巨大進(jìn)步，那么量子技術(shù)可能并不像許多人想象的那么遙遠(yuǎn).

量子技術(shù)的價(jià)值有很多，特別是對于任何使用計(jì)算機(jī)芯片的東西，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)執(zhí)行更多的操作——而且速度比現(xiàn)代計(jì)算機(jī)更快——同時(shí)提供一個(gè)額外的加密層，這比現(xiàn)代計(jì)算機(jī)要多得多。在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)世界中需要。

量子比特

任何量子技術(shù)的背后都是量子位——也稱為量子位——它與經(jīng)典計(jì)算位相似，但又截然不同。量子位是量子網(wǎng)絡(luò)的基石，就像經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典位一樣。經(jīng)典計(jì)算位——被許多人稱為二進(jìn)制位——可以采用兩種形式之一。它們是 1 和 0。量子位也可以采用 1 或 0 的形式，但還有第三種形式是經(jīng)典位不可能的，它是一種可疊加的形式，可以采用 1 或 0 的形式0. 因?yàn)榭莎B加形式可以采用任何一種形式，所以可以同時(shí)在兩個(gè)值中執(zhí)行操作——這在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中是不可能的。這是量子網(wǎng)絡(luò)能夠以比經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)高得多的速度處理多個(gè)操作的根本原因之一。

形成量子網(wǎng)絡(luò)

在這三種形式中的每一種中，每個(gè)量子位都可以擁有無限值。這導(dǎo)致了狀態(tài)的連續(xù)統(tǒng)一體，其中每個(gè)量子位都變成一個(gè)并且彼此無法區(qū)分。盡管單個(gè)量子位使用電子自旋和光子偏振來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但它們可能會(huì)糾纏在一起，這使得它們充當(dāng)一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。這意味著每個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)都被描述為一個(gè)完整的系統(tǒng)，而不是一系列的量子比特。

量子糾纏是量子網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要現(xiàn)象。電子、光子、原子和分子都可以糾纏在這些網(wǎng)絡(luò)中。量子網(wǎng)絡(luò)中的糾纏也會(huì)延伸很遠(yuǎn)的距離。當(dāng)測量量子網(wǎng)絡(luò)的一部分時(shí)，可以推斷出該特定網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)糾纏量子位的屬性作為確定值。這使得可以建立許多網(wǎng)絡(luò)，所有網(wǎng)絡(luò)都具有不同的值和屬性，但單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有量子位共享相同的信息。

量子隱形傳態(tài)是另一種使量子技術(shù)發(fā)揮作用的現(xiàn)象，在本質(zhì)上類似于量子糾纏。量子隱形傳態(tài)是這樣一種過程，在該過程中，量子比特中保存的數(shù)據(jù)和/或信息——通過向上或向下旋轉(zhuǎn)的電子，以及通過垂直或水平方向的極化光子——從一個(gè)位置傳輸?shù)搅硪粋€(gè)位置，而無需傳輸量子比特本身。

大多數(shù)量子比特都糾纏在這些網(wǎng)絡(luò)中；然而，如果懷疑它們沒有糾纏在一起，可以使用巧合相關(guān)性來測試它們。巧合相關(guān)假設(shè)糾纏網(wǎng)絡(luò)一次只能發(fā)射一個(gè)光子。您可以使用多個(gè)光電探測器來查看單個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射了多少光子。如果在任何時(shí)候記錄了不止一個(gè)光子，那么您可以假設(shè)量子網(wǎng)絡(luò)不是單光子系統(tǒng)，因此不糾纏。

物理基礎(chǔ)設(shè)施

構(gòu)成量子比特的材料是建立量子網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。量子系統(tǒng)是通過操縱物理材料形成的，因此用于構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的材料的性質(zhì)和特性是主要考慮因素。對于任何被視為量子技術(shù)基石的材料，它都需要擁有長壽命的自旋態(tài)，它可以控制這種狀態(tài)，并且能夠運(yùn)行并行量子位網(wǎng)絡(luò)。

許多物理部分也用于設(shè)計(jì)量子網(wǎng)絡(luò)。量子系統(tǒng)所需的關(guān)鍵特性之一是在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間布置互連的通信線路。就像在經(jīng)典計(jì)算中一樣，這些通信線路在端節(jié)點(diǎn)之間運(yùn)行。這些節(jié)點(diǎn)代表單個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)中保存的信息，這對于更大和/或復(fù)雜的量子網(wǎng)絡(luò)變得更加重要，因?yàn)樵诹孔酉到y(tǒng)中保存著許多不同類型的信息。這些終端節(jié)點(diǎn)可以采用多種形式，盡管目前最流行的選擇是：

分束器

光電探測器

電信激光器

量子邏輯門

離子阱

如果量子網(wǎng)絡(luò)要正常運(yùn)行，另外兩個(gè)物理組件至關(guān)重要。這些是通信線路和量子中繼器。物理通信線路目前主要有兩種形式，即光纖網(wǎng)絡(luò)和自由空間網(wǎng)絡(luò)，兩者的工作方式不同。由光纖電纜制成的物理通信線路通過衰減電信激光器來發(fā)送單個(gè)光子，光子的路徑在被光電探測器檢測和接收之前由一系列干涉儀和分束器控制。另一方面，自由空間網(wǎng)絡(luò)依賴于通信路徑兩端之間的視線。就目前而言，兩者都可以遠(yuǎn)距離使用，但自由空間網(wǎng)絡(luò)受到的干擾更少，傳輸速率更高，并且比光纖網(wǎng)絡(luò)更快。

另一個(gè)重要的組件是中繼器，它確保量子網(wǎng)絡(luò)不會(huì)丟失信號(hào)或因退相干而受到損害——退相干是由于環(huán)境噪聲造成的信息丟失。這在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中是一個(gè)直接的過程，因?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器只是簡單地增強(qiáng)信號(hào)。對于量子網(wǎng)絡(luò)，這要棘手得多。量子網(wǎng)絡(luò)需要采用一系列可信中繼器、量子中繼器、糾錯(cuò)器和糾纏凈化機(jī)制來測試基礎(chǔ)設(shè)施，保持量子比特糾纏，檢測任何短程通信錯(cuò)誤，并最大限度地減少退相干程度網(wǎng)絡(luò)。

添加額外的加密層

可以通過量子密鑰分發(fā)將額外的安全層合并到量子網(wǎng)絡(luò)中，量子密鑰分發(fā)利用量子力學(xué)原理來執(zhí)行加密操作。當(dāng)兩個(gè)人通過量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，或者數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方時(shí)，這將是一個(gè)特別有用的工具。加密過程將利用隨機(jī)偏振的光子來傳輸隨機(jī)數(shù)序列。然后，這些序列充當(dāng)密碼系統(tǒng)中的密鑰。這些密碼系統(tǒng)背后的理論是，它們將在兩個(gè)不同的通信點(diǎn)之間使用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)——一個(gè)經(jīng)典通道和一個(gè)量子通道，這兩個(gè)通道都扮演著特定的角色。經(jīng)典通道用于執(zhí)行經(jīng)典操作，是一種查看是否有人試圖侵入網(wǎng)絡(luò)的方式。然而，包含數(shù)據(jù)的量子位將通過量子通道發(fā)送，這意味著經(jīng)典系統(tǒng)可以被黑客攻擊，但黑客不會(huì)獲得任何信息——因?yàn)樵撏ǖ乐胁淮嬖谌魏涡畔?。這些系統(tǒng)能夠判斷網(wǎng)絡(luò)是否被黑客入侵的方式取決于信號(hào)的相關(guān)性。經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)是高度相關(guān)的，如果通道中的源和接收者之間出現(xiàn)任何缺陷，那么系統(tǒng)就會(huì)知道是否有人試圖進(jìn)行黑客攻擊。

結(jié)論

盡管在日常系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)可能還需要一段時(shí)間，但這些技術(shù)具有徹底改變計(jì)算和通信空間的潛力。量子網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)整體并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰εc經(jīng)典系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)勢，其中包括更快的數(shù)據(jù)傳輸類型的潛力、同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作的能力以及高度加密的數(shù)據(jù)通信通道。

審核編輯：湯梓紅