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構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)聽起來就像是科幻小說中的概念，但它卻是世界各國的一個主要目標。對于密碼學(xué)和安全優(yōu)化問題，量子計算機具有很大的潛力。量子計算機將要實現(xiàn)的目標是什么，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)提供無與倫比的能力，而目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很難實現(xiàn)這一點。

數(shù)據(jù)可以在量子領(lǐng)域中使用量子比特進行編碼，量子比特是在量子計算機或量子CPU等量子設(shè)備中產(chǎn)生的。簡而言之，量子互聯(lián)網(wǎng)將包括通過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，實現(xiàn)這一切都是可能的。

這聽起來很像普通的互聯(lián)網(wǎng)。然而，通過量子通道而不是傳統(tǒng)通道來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)”，長期以來這一直讓物理學(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)的標準方法是通過光纖電纜將量子比特單向傳送到接收器，然而這嚴重限制了協(xié)議的有效性。

由于量子比特可能會很快丟失或分散在光纖電纜中，因此量子信號非常容易出錯，并且很難遠距離傳輸。實際上，當前的測試僅限于數(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為糾纏的量子特征來交換消息設(shè)備。

當兩個量子比特連接和糾纏時，它們共享相互依賴的特性。即使量子比特被物理移除，當它們處于糾纏狀態(tài)時，一個量子比特的每一個變化會導(dǎo)致另一個量子比特的狀態(tài)發(fā)生變化。

因此，可以通過觀察其糾纏對應(yīng)物的活動來“讀取”第一個量子比特的狀態(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)從一個量子比特傳輸?shù)狡浼m纏的另一半，從而消除了連接兩個量子比特的物理鏈路的需要。

量子信息交換

簡而言之，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，因為它對數(shù)據(jù)進行編碼。比特必須是0或1，像電燈開關(guān)必須打開或關(guān)閉一樣。

而在另一方面，量子比特是疊加的：它們可能同時為0和1，處于傳統(tǒng)時代不存在的量子態(tài)。矛盾的是，僅僅測量量子比特就會導(dǎo)致它被分配一個狀態(tài)。一個被測量的量子比特，就像一個傳統(tǒng)的比特一樣，將會脫離它的雙重狀態(tài)并被降級為0或1。疊加是整個現(xiàn)象的名稱，它是量子力學(xué)的核心。不幸的是，量子位無法傳遞人們習慣的數(shù)據(jù)類型，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。

對于傳統(tǒng)通信，大多數(shù)數(shù)據(jù)通過向發(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保護，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)家們試圖使這種通信機制成為“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)將很快實現(xiàn)從根本上實現(xiàn)安全的通信。

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

一個研究團隊利用該技術(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，甚至更難在遠距離傳輸。擴展網(wǎng)絡(luò)的量子中繼器需要提供更遠距離的不間斷連接。

結(jié)論

量子研究人員的目標是最初將網(wǎng)絡(luò)擴展到國家層面，然后在未來擴展到全球?qū)用?。絕大多數(shù)專家都認為，這在未來幾十年內(nèi)不會發(fā)生。然而，構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)是一項長期的努力，需要克服很多技術(shù)障礙。然而，該技術(shù)無疑將在這條道路上帶來不可預(yù)見的結(jié)果，這將帶來一系列現(xiàn)在甚至無法預(yù)測的令人驚奇的量子應(yīng)用。