我们正在接近量子互联网,但它是什么?

由:Patrick j . Kiger|

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未来的量子互联网将利用量子信息的量子位,它可以具有无限数量的值。Yuichiro斜纹棉布裤/盖蒂图片社

早在2020年2月,来自美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家们揭示了他们已经取得了量子纠缠这是在芝加哥郊区一个长达52英里(83.7公里)的量子环网络中,一对微小粒子的行为连接在一起,因此它们的状态是相同的。

如果你不是一个熟悉的科学家,你可能想知道这些大惊小怪的是什么量子力学——也就是说,物质和能量在最小现实尺度下的行为,与我们周围所看到的世界是截然不同的。

但研究人员的这一壮举可能是开发一种新的、功能强大得多的人造卫星的重要一步互联网在接下来的几十年里。现在的网络使用的比特只能表示0或1的值,而未来的量子互联网将使用比特量子比特量子信息,它可以有无数个值。(比特是量子计算机的信息单位;它就像普通电脑中的一个bit)。

这将给量子互联网更多的带宽,这将使连接超级强大的网络成为可能量子计算机以及其他设备和运行大量应用程序,这些在我们现在的互联网上是不可能的。

“量子互联网将是一个量子生态系统的平台,计算机、网络和传感器以一种全新的方式交换信息,传感、通信和计算实际上作为一个实体一起工作,”解释说大卫Awschalom通过电子邮件。他是芝加哥大学普利兹克分子工程学院(Pritzker School of Molecular Engineering)的自旋电子学和量子信息教授,也是阿贡大学(Argonne)的高级科学家,领导了量子环项目。

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解释量子互联网

那么我们为什么需要这个,它有什么作用呢?首先,量子互联网是不是一个替代我们现在所拥有的普通互联网。而是对它的补充或分支。它将能够解决困扰当前互联网的一些问题。例如,量子互联网将提供更大的保护黑客和网络罪犯。现在,如果纽约的爱丽丝通过互联网向加利福尼亚的鲍勃发送一条信息,这条信息从一个海岸到另一个海岸几乎是直线传播的。在这个过程中,传递信息的信号会退化;中继器读取信号,放大和纠正错误。但这个过程允许黑客“闯入”并拦截信息。

然而,量子信息不会有这个问题。量子网络利用光子粒子来发送不易受到网络攻击的信息。而不是使用数学复杂性加密信息,雷·纽维尔,一位研究员说洛斯阿拉莫斯国家实验室,我们就会依赖量子物理的特殊规则。有了量子信息,“你不能复制它或把它切成两半,你甚至不能在不改变它的情况下看它。”事实上,我只是想拦截一条信息破坏的消息正如《连线》杂志指出的那样。这将使加密技术成为可能,它将比现在任何技术都要安全得多。

“理解量子互联网概念的最简单方法是通过量子隐形传态的概念,”苏密特Khatri巴吞鲁日路易斯安那州立大学的一名研究人员在一封电子邮件中说。他和他的同事已经写了一篇关于可行性的论文天基量子互联网在这个过程中,卫星会不断地向地球表面传播纠缠光子,就像这样技术评论文章描述了。

“量子隐形传态不像非科学家在科幻电影中想象的那样,”卡特里说。“在量子隐形传态中,两个想要交流的人共享一对纠缠在一起的量子粒子。然后,通过一系列操作,发送方可以向接收方发送任何量子信息(尽管不能比光速更快,这是一种常见的误解)。这种世界各地的人之间共享的纠缠的集合本质上构成了量子互联网。研究的核心问题是如何最好地将这些纠缠对分发给分布在世界各地的人们。”

一旦量子网络能够大规模实现,那么它的速度将是如此惊人,以至于遥远的时钟同步的精度将是目前最好的原子钟的1000倍宇宙杂志细节。这将使GPS导航比现在精确得多,并绘制出地球引力场的详细图,使科学家能够发现引力波的波动。它还可以将来自地球各地遥远可见光望远镜的光子传送到一个巨大的虚拟天文台。

“你可以看到其他恒星周围的行星,”尼古拉斯·彼得斯说,他是麻省理工学院量子信息科学小组的组长亚博的提现橡树岭国家实验室

在全球范围内,由超级强大的量子计算机组成的网络也有可能协同工作,创建极其复杂的模拟。例如,这可能使研究人员更好地理解分子和蛋白质的行为,并开发和测试新药物。

它还可能帮助物理学家解决现实中一些长期存在的谜团。Newell说:“我们对宇宙是如何运转的还没有完全的了解。”“我们对量子力学的工作原理有很好的理解,但对其含义还不是很清楚。量子力学与我们的生活经验的交集是模糊的。”

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构建量子互联网的挑战

但在这一切发生之前,研究人员必须弄清楚如何构建量子互联网,考虑到量子力学的古怪之处,这并不容易。“在传统世界中,你可以对信息进行编码并保存,而它不会衰变,”彼得斯说。“在量子世界里,你对信息进行编码,它几乎立即开始衰变。”

另一个问题是,由于量子信息对应的能量非常低,很难阻止它与外界的互动。今天,“在很多情况下,量子系统只能在非常低的温度下工作,”Newell说。“另一种选择是在真空中工作,把所有的空气抽出来。”

Newell说,为了让量子互联网发挥作用,我们需要各种尚未开发出来的硬件。所以现在还很难说量子互联网什么时候开始运行,不过一位中国科学家说有设想这最快可能在2030年实现。

最初发布于2020年3月30日

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量子网络常见问题解答

量子互联网会有多快?
量子互联网将能够以比光速还快的速度远距离传输大量数据。
量子互联网可能吗?
2020年2月,来自美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家们透露,他们已经实现了量子纠缠。研究人员的这一成就是开发新一代互联网的重要一步,但这可能还需要几十年的时间。
谁在领导量子计算?
IBM是量子计算行业最重要的巨头之一,尽管中国政府也通过中国量子信息科学国家实验室取得了重大飞跃。亚博的提现
量子处理器有多快?
谷歌宣布它有一台量子计算机,比任何经典计算机都快1亿倍。
哪个国家在量子计算方面处于领先地位?
根据福布斯在美国,中美之间的竞争非常激烈,但美国拥有更多与量子计算相关的专利。此外,谷歌在200秒内解决了一个经典计算机需要1万年才能解决的问题,从而实现了量子霸权。