我們?cè)絹?lái)越接近量子互聯(lián)網(wǎng) 但這是什么

早在2020年2月，美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的科學(xué)家透露，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子糾纏-在其中量子對(duì)糾纏了兩個(gè)微小粒子的行為，因此它們的狀態(tài)相同。位于芝加哥郊區(qū)的52英里(83.7公里)量子環(huán)路網(wǎng)絡(luò)。

如果您不是一位熟悉量子力學(xué)的科學(xué)家，那么您可能想知道到底有什么大驚小怪的，也就是說(shuō)，物質(zhì)和能量在最小現(xiàn)實(shí)尺度上的行為，與我們所看到的世界截然不同我們。

但是研究人員的壯舉可能是未來(lái)幾十年開發(fā)功能強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)新版本的重要一步。代替今天的網(wǎng)絡(luò)使用的只能表示0或1的位，未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)將利用量子信息的量子位，該量子信息可以具有無(wú)限數(shù)量的值。(一個(gè)量子位是量子計(jì)算機(jī)的信息單位;就像普通計(jì)算機(jī)中的一個(gè)位)。

這將為量子互聯(lián)網(wǎng)提供更多的帶寬，這將有可能連接超強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備，并運(yùn)行海量的應(yīng)用程序，而這正是我們現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

David Awschalom通過(guò)電子郵件解釋說(shuō)：“量子互聯(lián)網(wǎng)將成為量子生態(tài)系統(tǒng)的平臺(tái)，在那里，計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)和傳感器以一種全新的方式交換信息，傳感，通信和計(jì)算實(shí)際上可以作為一個(gè)整體協(xié)同工作。” 他是芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的自旋電子學(xué)和量子信息學(xué)教授，也是阿爾貢大學(xué)的高級(jí)科學(xué)家，后者領(lǐng)導(dǎo)了量子環(huán)路項(xiàng)目。解釋量子互聯(lián)網(wǎng)

那么，為什么我們需要這個(gè)，它做什么呢?首先，量子互聯(lián)網(wǎng)并不是我們現(xiàn)在擁有的常規(guī)互聯(lián)網(wǎng)的替代品。相反，它將是它的補(bǔ)充或分支。它將能夠解決困擾當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的一些問(wèn)題。例如，量子互聯(lián)網(wǎng)將為黑客和網(wǎng)絡(luò)分子提供更大的保護(hù)?，F(xiàn)在，如果紐約的愛(ài)麗絲通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向加利福尼亞的鮑勃發(fā)送了一條消息，則該消息或多或少地沿一條直線從另一海岸傳播到另一海岸。在此過(guò)程中，傳輸消息的信號(hào)會(huì)下降。中繼器讀取信號(hào)，放大并糾正錯(cuò)誤。但是此過(guò)程允許黑客“闖入”并攔截消息。

但是，量子消息不會(huì)有這個(gè)問(wèn)題。量子網(wǎng)絡(luò)使用光子粒子發(fā)送不易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的消息。洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員雷·紐厄爾說(shuō)，與其使用數(shù)學(xué)上的復(fù)雜性加密消息，不如依靠量子物理學(xué)的特殊規(guī)則。對(duì)于量子信息，“您不能復(fù)制它或?qū)⑵淝谐蓛砂?，甚至不?duì)其進(jìn)行更改就無(wú)法查看它。” 實(shí)際上，正如《連線》雜志所指出的那樣，僅僅試圖截取一條消息就會(huì)破壞該消息。這將使加密比現(xiàn)在可用的任何加密方法安全得多。

位于巴吞魯日的路易斯安那州立大學(xué)的研究員Sumeet Khatri說(shuō)：“了解量子互聯(lián)網(wǎng)概念的最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)量子隱形傳態(tài)。” 他和他的同事寫了一篇關(guān)于天基量子互聯(lián)網(wǎng)的可行性的論文，正如《技術(shù)評(píng)論》(Technology Review)所描述的那樣，衛(wèi)星將不斷地將糾纏的光子向下傳播到地球表面。

卡特里說(shuō)：“量子隱形傳態(tài)不同于非科學(xué)家在科幻電影中所見(jiàn)到的東西。” “在量子隱形傳態(tài)中，兩個(gè)想要交流的人共享一對(duì)糾纏在一起的量子粒子。然后，通過(guò)一系列操作，發(fā)送器可以將任何量子信息發(fā)送到接收器(盡管它不能比光更快地完成)速度，這是一個(gè)普遍的誤解。)這種在全世界成對(duì)的人之間共享的糾纏在一起的集合實(shí)質(zhì)上構(gòu)成了量子互聯(lián)網(wǎng)。核心研究問(wèn)題是如何最好地將這些糾纏的對(duì)分配給分布在世界各地的人們。”

一旦有可能大規(guī)模地進(jìn)行這項(xiàng)工作，量子互聯(lián)網(wǎng)將變得如此之快，以至于遙遠(yuǎn)的時(shí)鐘可以比當(dāng)今最好的原子鐘更精確地同步一千倍，正如《宇宙》雜志所詳述的那樣。這將使GPS導(dǎo)航比現(xiàn)在更加精確，并繪制地球引力場(chǎng)的詳細(xì)圖，以便科學(xué)家可以發(fā)現(xiàn)引力波的波紋。它還可能使從遙遠(yuǎn)的可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡傳送光子到整個(gè)地球，并將它們鏈接到一個(gè)巨大的虛擬天文臺(tái)。全球超強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也可以一起工作，并創(chuàng)建極其復(fù)雜的仿真。例如，這可能使研究人員能夠更好地了解分子和蛋白質(zhì)的行為，并開發(fā)和測(cè)試新的藥物。

這也可能有助于物理學(xué)家解決一些長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)。紐厄爾說(shuō)：“我們沒(méi)有關(guān)于宇宙如何運(yùn)轉(zhuǎn)的完整圖景。” “我們對(duì)量子力學(xué)的工作原理有很好的了解，但對(duì)影響的了解還不是很清楚。量子力學(xué)與我們的經(jīng)驗(yàn)相交的地方，情況是模糊的。”建立量子互聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)

但是，在這一切發(fā)生之前，研究人員必須弄清楚如何構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，并且鑒于量子力學(xué)的怪異之處，這并非易事。彼得斯說(shuō)：“在古典世界中，您可以對(duì)信息進(jìn)行編碼并保存，并且信息不會(huì)衰減。” “在量子世界中，您對(duì)信息進(jìn)行編碼，并且信息幾乎立即開始衰減。”

另一個(gè)問(wèn)題是，由于與量子信息相對(duì)應(yīng)的能量確實(shí)很少，因此很難阻止其與外界相互作用。如今，“在許多情況下，量子系統(tǒng)只能在非常低的溫度下工作”，紐厄爾說(shuō)。“另一種選擇是在真空中工作，并將所有空氣抽出。”

為了發(fā)揮量子互聯(lián)網(wǎng)的功能，紐厄爾說(shuō)，我們將需要尚未開發(fā)的各種硬件。因此，盡管有一位中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到量子互聯(lián)網(wǎng)最早可能在2030年建成，但在這一點(diǎn)上很難確切說(shuō)出量子互聯(lián)網(wǎng)何時(shí)開始運(yùn)行。