量子網路

量子網路是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子網路。量子網路的概念源於對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

基本介紹

• 中文名：量子網路
• 外文名：quantum network
• 屬性：物理裝置
• 用途：高速數學和邏輯運算和存儲
• 優點：低能耗，高速度
• 缺點：容易丟失信息

歷史

20世紀60年代至70年代，人們發現能耗會導致計算機中的晶片發熱，極大地影響了晶片的集成度，從而限制了計算機的運行速度。研究發現，能耗來源於計算過程中的不可逆操作。那么，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經典計算機都可以找到一種對應的可逆計算機，而且不影響運算能力。既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學中，它就可以用一個么正變換來表示。早期量子網路，實際上是用量子力學語言描述的經典計算機，並沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相干性。在經典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子網路中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上，而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態，不僅提供了量子並行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典計算機不同，量子網路可以做任意的么正變換，在得到輸出態後，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經典計算作了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子網路對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，並按一定的機率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外，量子網路的另一重要用途是模擬量子系統，這項工作是經典計算機無法勝任的。

無論是量子並行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實際系統中量子相干性很難保持。在量子網路中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用範圍廣，缺點是效率不高。

原理

量子通信融合了現代物理學和光通信技術研究的成果，由物理學基本原理來保證密鑰分配過程的無條件安全性。量子密鑰分發根據所利用量子狀態特性的不同，可以分為基於測量和基於糾纏態兩種。基於糾纏態的量子通信在傳遞信息的時候利用了量子糾纏效應，即兩個經過耦合的微觀粒子，在一個粒子狀態發生變化時，另一個會立刻發生相應的變化。

理論依據

量子理論研究者很早就發現了開啟量子通訊的鑰匙——量子糾纏。量子糾纏描述了這樣一個現象：兩個微觀粒子位於宇宙空間中的兩邊，無論相隔多遠，只要這兩個粒子彼此處於量子糾纏，則通過改變一個粒子的量子狀態，就可以使非常遙遠的另一個粒子狀態也發生改變，信號超越了時空的阻隔，直接送達了另一個粒子那裡。

圖1.量子糾纏

這種神奇的現象和我們生活中所說的“心靈感應”很類似，兩個相距遙遠的人不約而同地想去做同一件事，好像有一根無形的線繩牽著兩個人。

這種理論上的超過通訊方式激起了量子科學家們的雄心壯志，他們試圖建立起比現在的網際網路快千萬倍的量子網路。

問題

量子粒子是脆弱，一點風吹草動就會讓它丟失信息。由於測不準原理，任何觀測都會使量子狀態坍縮。所以，長期以來，量子網路只被當作科學幻想來看待。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子網路。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算，方案並不少，問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。目前已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。現在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最後脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對於電子計算機一樣。研究量子網路的目的不是要用它來取代現有的計算機。量子網路使計算的概念煥然一新，這是量子網路與其他計算機如光計算機和生物計算機等的不同之處。量子網路的作用遠不止是解決一些經典計算機無法解決的問題。

發展

世界上已有美國、歐洲、中國等多個研究小組和機構致力於量子通信網的研發。

2004年，中國科學技術大學潘建偉教授的科研團隊首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸。

2005年，美國建成了DARPA量子網路。其連線節點有3個，分別為美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學，目前延伸長度為10公里。

2008年8月，潘建偉團隊研製20km級3方量子電話網路。

來自12個歐盟國家的41個科研小組經過四年半時間，建立了SECOQC量子通信網路，並於2008年10月在維也納現場演示了一個基於商業網路的安全量子通信系統。該系統集成了多種量子密碼手段，包含6個節點。其組網方式為在每個節點使用多個不同類型量子密鑰分發的收發系統並利用可信中繼進行聯網。

2009年，潘建偉團隊在合肥構建和演示了一個4節點全通型量子通信網路。其中任意兩個節點都可以互聯互通、實時地產生不落地量子密鑰，進而用來進行各種加密的數據、語音和多媒體通信等套用。此網路基於誘騙態量子通信方案，大大提高了安全通信的距離和密鑰產生速率，同時保證了絕對安全性。其最近的兩個通信節點超過16km。每個節點可工作在全雙工模式，即同時作為量子信號發射和接收方進行量子通信。

截止2009年，點對點的兩方量子通信技術已經比較成熟, 科學家和技術人員利用光量子態已經能夠實現幾十公里到百公里級的兩方量子密鑰分發系統。 為了拓展套用，需對點對點的通信方式進行組網，滿足多用戶的通信需要。為了與現有通信系統兼容以及大量減少成本，量子通信網還將充分利用經典通信設施，如現有光纖網路。

2014年11月15日，中國研發的遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至200公里，刷新世界紀錄。

2016年8月16日，中國發射全世界首顆量子科學實驗衛星。截至2017年8月，已完成了包括千公里級的量子糾纏分發、星地的高速量子秘鑰分發，以及地球的量子隱形傳態等預定的科學目標。

2017年9月29日，世界首條量子保密通信幹線“京滬幹線”正式開通。當日結合京滬幹線與“墨子號”量子衛星，成功實現人類首次洲際距離且天地鏈路的量子保密通信。幹線連線北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000餘公里，全線路密鑰率大於20千比特/秒可同時供上萬用戶密鑰分發。

2019年1月，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉、教授包小輝等人研究量子網路取得重要進展，成功地利用多光子干涉將分離的3個冷原子量子存儲器糾纏起來，為構建多節點、遠距離的量子網路奠定了基礎。

套用

中國“金融信息量子通信驗證網”在北京開通，計畫依託於京滬幹線執行兩大金融重鎮間的保密，在世界上首次將量子通信技術套用於金融信息安全傳輸。

另有“濟南黨政機關量子通信專網”是第一個黨政機關網，可供百平方公里的近200個終端進行保密通信，用戶之間的通信實現了每秒產生4000多個密碼。濟南量子科學研究院院長助理周飛參與了整個濟南專網的建設，並世界上首次套用於公檢法部門，例如在檢察院系統，對一些貪腐案件調查進行信息溝通時，通過量子通信電話可以保證信息安全性，不存在泄露或竊聽；能夠實務套用的關鍵是室溫下通信波段單光子探測器的研發成功。