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構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)聽(tīng)起來(lái)就像是科幻小說(shuō)中的概念，但它卻是世界各國(guó)的一個(gè)主要目標(biāo)。對(duì)于密碼學(xué)和安全優(yōu)化問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)具有很大的潛力。量子計(jì)算機(jī)將要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是什么，以及仍然面臨哪些障礙?人們需要了解有關(guān)不可破解的量子互聯(lián)網(wǎng)的一切。

什么是量子互聯(lián)網(wǎng)?

量子互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)允許量子設(shè)備在使用量子物理學(xué)原理的環(huán)境中交換數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。原則上，這將為量子互聯(lián)網(wǎng)提供無(wú)與倫比的能力，而目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

數(shù)據(jù)可以在量子領(lǐng)域中使用量子比特進(jìn)行編碼，量子比特是在量子計(jì)算機(jī)或量子CPU等量子設(shè)備中產(chǎn)生的。簡(jiǎn)而言之，量子互聯(lián)網(wǎng)將包括通過(guò)許多物理隔離的量子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)傳輸量子比特。由于量子態(tài)特有的奇異特性，實(shí)現(xiàn)這一切都是可能的。

這聽(tīng)起來(lái)很像普通的互聯(lián)網(wǎng)。然而，通過(guò)量子通道而不是傳統(tǒng)通道來(lái)傳輸量子比特基本上意味著要利用粒子最微小尺寸的行為——所謂的“量子態(tài)”，長(zhǎng)期以來(lái)這一直讓物理學(xué)家為之著迷和困惑。

為什么是量子互聯(lián)網(wǎng)?

量子密鑰分發(fā)(QKD)技術(shù)現(xiàn)在還處于起步階段。目前，生成量子密鑰分發(fā)(QKD)的標(biāo)準(zhǔn)方法是通過(guò)光纖電纜將量子比特單向傳送到接收器，然而這嚴(yán)重限制了協(xié)議的有效性。

由于量子比特可能會(huì)很快丟失或分散在光纖電纜中，因此量子信號(hào)非常容易出錯(cuò)，并且很難遠(yuǎn)距離傳輸。實(shí)際上，當(dāng)前的測(cè)試僅限于數(shù)百公里的范圍。

作為量子互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的另一種選擇是使用另一種稱(chēng)為糾纏的量子特征來(lái)交換消息設(shè)備。

當(dāng)兩個(gè)量子比特連接和糾纏時(shí)，它們共享相互依賴的特性。即使量子比特被物理移除，當(dāng)它們處于糾纏狀態(tài)時(shí)，一個(gè)量子比特的每一個(gè)變化會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)量子比特的狀態(tài)發(fā)生變化。

因此，可以通過(guò)觀察其糾纏對(duì)應(yīng)物的活動(dòng)來(lái)“讀取”第一個(gè)量子比特的狀態(tài)。在量子通信的設(shè)置中，糾纏可以有效地將一些數(shù)據(jù)從一個(gè)量子比特傳輸?shù)狡浼m纏的另一半，從而消除了連接兩個(gè)量子比特的物理鏈路的需要。

量子信息交換

簡(jiǎn)而言之，量子比特采用量子物理學(xué)的基本規(guī)則，其行為與經(jīng)典比特大不相同，這一事實(shí)是量子通信的基礎(chǔ)。

經(jīng)典比特只能具有兩種狀態(tài)之一，因?yàn)樗鼘?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。比特必須是0或1，像電燈開(kāi)關(guān)必須打開(kāi)或關(guān)閉一樣。

而在另一方面，量子比特是疊加的：它們可能同時(shí)為0和1，處于傳統(tǒng)時(shí)代不存在的量子態(tài)。矛盾的是，僅僅測(cè)量量子比特就會(huì)導(dǎo)致它被分配一個(gè)狀態(tài)。一個(gè)被測(cè)量的量子比特，就像一個(gè)傳統(tǒng)的比特一樣，將會(huì)脫離它的雙重狀態(tài)并被降級(jí)為0或1。疊加是整個(gè)現(xiàn)象的名稱(chēng)，它是量子力學(xué)的核心。不幸的是，量子位無(wú)法傳遞人們習(xí)慣的數(shù)據(jù)類(lèi)型，例如電子郵件和Facebook消息。

量子通信

安全性是使用量子比特的研究人員所追求的最有趣的話題之一。

對(duì)于傳統(tǒng)通信，大多數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)向發(fā)送方和接收方提供共享密鑰，然后使用該密鑰加密消息來(lái)保護(hù)，接收者最后可以使用他們的密鑰在他們的終端解密數(shù)據(jù)。

如今，大多數(shù)傳統(tǒng)通信的安全性都建立在密鑰生成過(guò)程上，雖然黑客很難破解，但并非不可能。這就是為什么科學(xué)家們?cè)噲D使這種通信機(jī)制成為“量子”的原因。量子密鑰分發(fā)是網(wǎng)絡(luò)安全的一個(gè)新分支。

不可破解的量子互聯(lián)網(wǎng)

基于量子物理的互聯(lián)網(wǎng)將很快實(shí)現(xiàn)從根本上實(shí)現(xiàn)安全的通信。

近年來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了如何通過(guò)光纖電纜傳輸光子對(duì)，從而完全保護(hù)存儲(chǔ)在其中的信息。

一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)的變體建造了一條連接北京和上海的2000公里通信線路。這項(xiàng)技術(shù)基于原子粒子的量子特性——糾纏。要解釋糾纏光子而不破壞其內(nèi)容是不可能的。在另一方面，纏結(jié)粒子很難產(chǎn)生，甚至更難在遠(yuǎn)距離傳輸。擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的量子中繼器需要提供更遠(yuǎn)距離的不間斷連接。

結(jié)論

量子研究人員的目標(biāo)是最初將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到國(guó)家層面，然后在未來(lái)擴(kuò)展到全球?qū)用?。絕大多數(shù)專(zhuān)家都認(rèn)為，這在未來(lái)幾十年內(nèi)不會(huì)發(fā)生。然而，構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的努力，需要克服很多技術(shù)障礙。然而，該技術(shù)無(wú)疑將在這條道路上帶來(lái)不可預(yù)見(jiàn)的結(jié)果，這將帶來(lái)一系列現(xiàn)在甚至無(wú)法預(yù)測(cè)的令人驚奇的量子應(yīng)用。