光子盒研究院出品

量子計(jì)算機(jī)在40年前就被提出，但是還沒有在世界上產(chǎn)生任何真正的影響。研究人員正在努力從必須保持接近絕對(duì)零度的系統(tǒng)中獲得大量的處理能力。

但與此同時(shí)，量子信息學(xué)界已經(jīng)在努力超越單個(gè)量子計(jì)算機(jī)的下一步：一個(gè)可以將它們連接在一起工作的互聯(lián)網(wǎng)。

你已經(jīng)可以在互聯(lián)網(wǎng)上與大量的實(shí)驗(yàn)量子計(jì)算機(jī)交流了。例如，亞馬遜的AWS Braket允許你在不同的量子處理器(D-Wave、IonQ或Rigetti)上構(gòu)建和測(cè)試量子算法，或者使用模擬器。微軟在Azure上做了類似的事情，IBM也讓用戶體驗(yàn)他們的量子系統(tǒng)。

任務(wù)完成了嗎？沒有。

共享獨(dú)立量子計(jì)算機(jī)的輸出是一回事；將量子計(jì)算機(jī)連接起來是另一回事。

量子計(jì)算的力量在于擁有大量的量子比特，量子比特的值直到計(jì)算結(jié)束才確定。如果你能把這些“活的”量子比特聯(lián)系起來，你就把量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)部聯(lián)系起來了，你實(shí)際上創(chuàng)造了一個(gè)更大的量子計(jì)算機(jī)。

“很難建造足夠大的量子計(jì)算機(jī)來解決真正的大問題，”互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)始人之一Vint Cerf在接受采訪時(shí)說。

這個(gè)問題更難，因?yàn)榱孔邮澜鐣?huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤：“你需要大量的物理量子比特來制造數(shù)量少得多的邏輯量子比特——因?yàn)榧m錯(cuò)需要大量的物理量子比特。”

所以，我們確實(shí)需要讓我們的量子計(jì)算機(jī)變得更大。

但我們希望鏈接“活的”量子比特，而不僅僅是共享量子計(jì)算機(jī)的輸出。我們想要在不破壞波函數(shù)的情況下，分布計(jì)算機(jī)的內(nèi)部狀態(tài)，這意味著分配糾纏。

量子互聯(lián)網(wǎng)意味著獲取量子效應(yīng)，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分配。這被證明是非常復(fù)雜的——但是可能非常強(qiáng)大。

在谷歌工作的Cerf說：“糾纏的分配將促進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展，理論上，如果你能將糾纏分配到更多不同的量子機(jī)器上，你就可以制造出更大的量子系統(tǒng)?！?/p>

但是有一個(gè)問題。

有幾種方法可以為量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展構(gòu)建量子比特，包括超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)、俘獲離子量子計(jì)算機(jī)和基于光子的計(jì)算機(jī)等。它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，它們必須與外界隔離，才能發(fā)揮作用。

量子比特必須保持一種量子相干的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，所有的量子態(tài)都可以存在，就像薛定諤著名的悖論中的貓一樣，既死又活——只要箱子保持關(guān)閉。那么如何和一個(gè)密封的箱子溝通呢？

像谷歌這樣的科技公司和世界各地的大學(xué)都在探索量子互聯(lián)網(wǎng)。

歐洲有量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(QIA)，由包括QuTech在內(nèi)的多個(gè)大學(xué)和機(jī)構(gòu)組成，美國(guó)有Q-Next，這是美國(guó)國(guó)家量子信息科學(xué)計(jì)劃，由芝加哥大學(xué)教授David Awschalom領(lǐng)導(dǎo)。

美國(guó)能源部認(rèn)為這個(gè)問題很重要，并應(yīng)該提供資金，并支持Q-Next的主要合作伙伴阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目。Q-Next已經(jīng)通過52英里的光纖鏈路共享了量子態(tài)，這條光纖鏈路已經(jīng)成為未來可能的國(guó)家量子互聯(lián)網(wǎng)的核心。

歐洲的QIA也取得了一些成功，包括第一個(gè)連接三臺(tái)量子處理器的網(wǎng)絡(luò)，量子信息通過QuTech量子信息學(xué)研究所創(chuàng)建的中間節(jié)點(diǎn)傳輸。馬克斯·普朗克研究所(另一個(gè)QIA成員)利用單個(gè)光子共享量子信息。

在美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，來自芝加哥大學(xué)的科學(xué)家Martin Suchara的量子通信研究得到了美國(guó)能源部的資助。但他承認(rèn)了傳輸量子信息的困難。

Suchara說：“不可克隆定理說，如果你有一個(gè)量子態(tài)，你不能復(fù)制它，這確實(shí)是一個(gè)很大的工程挑戰(zhàn)?！?/p>

隨著大量工作的進(jìn)行，我們開始看到量子互聯(lián)網(wǎng)的端倪。

但除了技術(shù)上的困難，還有另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。所有這些機(jī)構(gòu)都可以創(chuàng)建幾個(gè)不兼容的量子互聯(lián)網(wǎng)。這將背叛最初的互聯(lián)網(wǎng)理念。

互聯(lián)網(wǎng)以“粗略共識(shí)和運(yùn)行代碼”而聞名。工程師們?cè)趯⑺鼈児潭ㄏ聛碇埃_保它們能夠工作，并且可以在多個(gè)系統(tǒng)中復(fù)制。

35年來，確保代碼運(yùn)行的機(jī)構(gòu)一直是互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)。它是為我們的環(huán)球神經(jīng)系統(tǒng)(global nervous system)制定標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)。

自從互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)以來，IETF已經(jīng)發(fā)布了被稱為“RFC”(征求意見)的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)定義了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，確保你的電子郵件和視頻聊天可以被其他人接收。

如果我們想要有一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)，我們將需要一個(gè)RFC來規(guī)定量子計(jì)算機(jī)如何通信。

現(xiàn)在，對(duì)于IETF的實(shí)踐工程師和協(xié)議設(shè)計(jì)師來說，這太不切實(shí)際了。因此，量子互聯(lián)網(wǎng)的先驅(qū)們把他們的想法帶到了IETF的姐妹組織——前瞻性互聯(lián)網(wǎng)研究任務(wù)組(IRTF)。

IRTF有一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)研究小組(QIRG)，有兩個(gè)主席：日本慶應(yīng)義塾大學(xué)教授Rodney Van Meter和代爾夫特QuTech的Wojciech Kozlowski。QIRG一直在悄悄地關(guān)注著將引入全新的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式的發(fā)展。

QIRG的文件《量子互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)原理》(Architectural Principles for a Quantum Internet)提到：“正是量子比特的傳輸在真正的量子網(wǎng)絡(luò)和通過經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)連接的量子計(jì)算機(jī)集合之間劃清了界限，量子網(wǎng)絡(luò)被定義為一組節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)能夠相互交換量子比特并分配糾纏態(tài)?！?/p>

這項(xiàng)工作引起了轟動(dòng)。Kozlowski說，在新冠肺炎讓IETF暫停面對(duì)面會(huì)議之前，QIRG聚會(huì)吸引了相當(dāng)多的人參加，“但更多的是出于好奇?！?/p>

量子網(wǎng)絡(luò)的基本原理是分配糾纏，這可以用來在不同位置之間共享量子比特的狀態(tài)。

Suchara解釋說：“訣竅在于，你不直接傳輸對(duì)你來說如此珍貴的量子態(tài)：你分配糾纏。兩個(gè)光子糾纏在一起，處于一個(gè)明確的狀態(tài)，基本上將它們聯(lián)系在一起。然后你通過網(wǎng)絡(luò)傳輸這對(duì)光子中的一個(gè)?！?/p>

他繼續(xù)說：“一旦你在通信的端點(diǎn)之間分配糾纏，你就可以使用所謂的量子隱形傳態(tài)來傳輸量子態(tài)。它本質(zhì)上是消耗了糾纏，將量子態(tài)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)。”

Kozlowski說：“量子數(shù)據(jù)本身從未實(shí)際進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。它被直接傳送到遠(yuǎn)端?！?/p>

Kozlowski指出，傳輸量子比特令人興奮，但分配糾纏是最基本的事情。

“例如，量子密鑰分發(fā)可以在基于糾纏的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，而無需任何隱形傳態(tài)，許多其他應(yīng)用也是如此。大多數(shù)量子應(yīng)用協(xié)議都是從說‘我有一堆狀態(tài)’開始的，隱形傳態(tài)只是使用這些狀態(tài)的一種方式?！?/p>

2020年底，Kozlowski與代爾夫特的同事合著了一篇論文，提出了一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議通過將分配糾纏置于一個(gè)類似于分層堆棧(OSI或TCP/IP)的框架中，定義了經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)上的通信，從而開創(chuàng)了一個(gè)重要的先例。

他告訴我們：“我們提出的協(xié)議棧很大程度上受到了TCP/IP或OSI的啟發(fā)。每一層的定義略有不同，但在底部有一個(gè)物理層，它試圖產(chǎn)生糾纏?！?/p>

“嘗試”這個(gè)詞很重要，他說：“很多時(shí)候都會(huì)失敗。然后，我們有一條鏈路負(fù)責(zé)在兩個(gè)量子中繼器或一個(gè)端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)量子中繼器之間的單個(gè)鏈路上運(yùn)行。物理層會(huì)說‘我失敗了’，或者‘我成功了’。鏈路層將負(fù)責(zé)管理，最終說，‘嘿，我為你創(chuàng)造了糾纏’?！?/p>

該協(xié)議必須跟蹤不同節(jié)點(diǎn)上糾纏的量子比特，這就帶來了一個(gè)并行網(wǎng)絡(luò)通道：“分配糾纏的一個(gè)重要方面是，最終形成糾纏對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)必須同意它們的哪些量子比特與哪些量子比特糾纏。不能隨意使用任何糾纏的量子比特?！?/p>

“人們必須能夠在協(xié)議中識(shí)別一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的哪個(gè)量子比特與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的哪個(gè)量子比特糾纏在一起。如果不跟蹤這些信息，那么這些量子比特就毫無用處?！?/p>

“假設(shè)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)生成數(shù)百個(gè)糾纏對(duì)，但其中只有兩個(gè)是指定給特定應(yīng)用的，那么該應(yīng)用必須從協(xié)議棧中獲得正確的量子比特。而且那兩個(gè)量子比特必須是相互糾纏的，而不僅僅是另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的任何隨機(jī)量子比特。”

經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)必須像這樣傳輸協(xié)調(diào)信號(hào)，但它可以將它們放在每個(gè)數(shù)據(jù)包的報(bào)頭中。這在量子互聯(lián)網(wǎng)上是不可能發(fā)生的，所以“報(bào)頭”信息必須在一個(gè)平行的通道上。

“對(duì)量子來說，軟件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之所以困難，是因?yàn)槿藗兛梢韵胂笠粋€(gè)數(shù)據(jù)包，它有一個(gè)量子比特作為有效載荷，并有一個(gè)報(bào)頭。但它們永遠(yuǎn)不會(huì)在同一個(gè)通道上傳輸。量子比特在量子通道上傳輸，而報(bào)頭在經(jīng)典通道上傳輸?！?/p>

Kozlowski說：“在參與量子網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)之間建立經(jīng)典信道是一個(gè)困難的要求。”

在其協(xié)議設(shè)計(jì)中，代爾夫特團(tuán)隊(duì)利用經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)上的報(bào)頭與量子互聯(lián)網(wǎng)上的量子有效載荷不對(duì)應(yīng)的機(jī)會(huì)，Kozlowski說:“我們選擇了一種稍有不同的方法，在這種方法中，信令和控制消息不直接耦合。我們確實(shí)有包含控制信息的數(shù)據(jù)包，就像報(bào)頭一樣。然而，不同的是，它們不一定有一個(gè)有效負(fù)載連接到它們?！?/p>

在實(shí)踐中，這意味著量子互聯(lián)網(wǎng)將始終需要經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)來攜帶報(bào)頭信息。每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)也必須在經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)上。

因此，量子互聯(lián)網(wǎng)將在量子平面上擁有量子信息，而控制平面將在經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)上并行運(yùn)行，處理完成量子比特糾纏分配所需的經(jīng)典數(shù)據(jù)。

代爾夫特的提議保持了通用性，將遠(yuǎn)程傳輸放在最上面，作為一個(gè)在量子互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，而不是作為一個(gè)較低層的服務(wù)。Kozlowski說，早期的想法建議在傳輸層中包含隱形傳輸，但“我們還沒有提出這樣的傳輸層，因?yàn)樵S多應(yīng)用甚至不需要隱形傳輸量子比特?！?/p>

代爾夫特的論文提出了一種傳輸層，它只是直接在糾纏對(duì)上操作，以提供遠(yuǎn)程操作等服務(wù)。

在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，Suchara的項(xiàng)目著眼于標(biāo)準(zhǔn)工作，并同意這些原則：“量子互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧應(yīng)該是什么樣的？”他問道?！八芸赡茉谀承┓矫骖愃朴贠SI模型。將會(huì)有多個(gè)層次，最低層的某個(gè)協(xié)議部分將必須控制硬件?！?/p>

像Kozlowski一樣，他看到了底層管理中繼器節(jié)點(diǎn)中的光子探測(cè)器和量子存儲(chǔ)器。

在此之上，他說，“最頂層是應(yīng)用程序。為了量子隱形傳態(tài)的成功，你必須采取某些行動(dòng)。這是最頂層?！?/p>

“然后中間有所有的東西，讓光子穿過網(wǎng)絡(luò)。如果你有一個(gè)復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，你想要超越點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信；你需要多個(gè)用戶和多個(gè)應(yīng)用程序。”

Suchara說，整理中間層會(huì)產(chǎn)生許多開放性問題:“如何有效地完成這項(xiàng)工作？這就是我們想要回答的?！?/p>

在這個(gè)階段幾乎沒有分歧的風(fēng)險(xiǎn)，但在代爾夫特，Kozlowski的同事們，包括量子網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)導(dǎo)者Stephanie Wehner，實(shí)際上已經(jīng)開始編寫最終量子互聯(lián)網(wǎng)的代碼。在寫這篇文章的時(shí)候，QuTech的研究人員發(fā)表了一篇論文《使用量子網(wǎng)絡(luò)堆棧進(jìn)行糾纏傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)演示》。“我們的結(jié)果標(biāo)志著從物理實(shí)驗(yàn)到量子通信系統(tǒng)的明顯轉(zhuǎn)變，這將使未來量子網(wǎng)絡(luò)的組件的開發(fā)和測(cè)試成為可能?！?/p>

將此付諸實(shí)踐帶來了下一系列問題。分配糾纏依賴于光子，量子互聯(lián)網(wǎng)研究人員將其稱為“飛行量子比特”，將它們與最終系統(tǒng)中的靜止量子比特(稱為“物質(zhì)量子比特”)進(jìn)行對(duì)比。

光子的使用聽起來讓人放心。這是光。這和我們?cè)诮?jīng)典互聯(lián)網(wǎng)上通過光纜傳輸?shù)臇|西是一樣的。實(shí)驗(yàn)室中主要的量子比特技術(shù)之一是基于光子的。

但是這里有一點(diǎn)不同。首先，我們?cè)诹孔映叨壬瞎ぷ?。通過經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的一個(gè)比特將是一束光，包含數(shù)百萬個(gè)光子。飛行量子比特由單個(gè)(糾纏)光子組成。

Suchara說：“在經(jīng)典通信中，你只需將你的比特編碼成數(shù)千個(gè)光子，或者創(chuàng)建比特的額外副本，但在量子世界里，你不能這么做。你必須用單個(gè)光子來編碼一個(gè)量子態(tài)。如果單個(gè)光子丟失了，你就失去了你的信息?！?/p>

還有，網(wǎng)絡(luò)需要知道飛行量子比特是否已經(jīng)成功發(fā)射。這意味著知道糾纏是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，而這需要量子先驅(qū)所說的“預(yù)示糾纏生成方案”（heralded entanglement generation scheme）。

在光纖上使用單光子有其局限性。超過幾公里，那是不可能的。因此，量子互聯(lián)網(wǎng)研究人員提出了“糾纏交換”。一系列被稱為“量子中繼器”的中間系統(tǒng)被建立起來，這樣一對(duì)量子中繼器的遠(yuǎn)端可以被反復(fù)傳送，直到到達(dá)目的地。

這仍然不完美。副本的保真度會(huì)下降，因此使用多個(gè)量子比特，并在一個(gè)稱為“量子糾錯(cuò)”的過程中“提取”。

Suchara說，在某種程度上，這僅僅意味著重復(fù)這個(gè)過程，直到它起作用。“你有這些糾纏的光子，你傳輸它們。如果這些糾纏對(duì)中的一部分——甚至很大一部分——丟失了，那也沒關(guān)系。你只需要讓其中的一部分通過。”

Kozlowski同意:“分配糾纏之所以有效，而量子比特分配卻不起作用，是因?yàn)楫?dāng)我們分配糾纏時(shí)，它是以一種已知的形式存在的。它處于我們所稱的貝爾態(tài)。因此，如果一個(gè)失敗了，如果一個(gè)丟失了，它只會(huì)再次產(chǎn)生。”

量子中繼器必須處理糾錯(cuò)和提取，以及路由和管理。

但是終端節(jié)點(diǎn)會(huì)更復(fù)雜，Kozlowski說：“量子中繼器必須產(chǎn)生糾纏并進(jìn)行一點(diǎn)糾纏交換。終端節(jié)點(diǎn)必須具有良好的量子存儲(chǔ)容量，該存儲(chǔ)器可以容納量子比特并實(shí)際執(zhí)行本地處理指令和操作。除了產(chǎn)生糾纏，還可以在其上執(zhí)行應(yīng)用程序?！?/p>

量子網(wǎng)絡(luò)還必須處理其他實(shí)際問題，比如計(jì)時(shí)。由于目前產(chǎn)生糾纏的方式，它們將需要難以置信的時(shí)間同步。

產(chǎn)生糾纏比發(fā)送單個(gè)光子更復(fù)雜。大多數(shù)提議的方案都是從鏈路的每一端發(fā)送一個(gè)光子，在中點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)糾纏對(duì)。

Kozlowski說：“這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)將光子發(fā)射到一個(gè)中間站點(diǎn)，兩個(gè)光子必須在同一時(shí)間在中間站點(diǎn)相遇，幾乎沒有容限，因?yàn)樗鼈兿嗑嘣竭h(yuǎn)，糾纏的質(zhì)量就越低?！?/p>

他不是在開玩笑。糾纏需要同步到納秒的精度，時(shí)鐘抖動(dòng)比納秒還快。

Kozlowski說，提供定時(shí)的最佳方式是將其包含在物理層中。但有一個(gè)問題：“應(yīng)該只同步一條鏈路嗎？還是應(yīng)該將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步到納秒級(jí)？顯然，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步到納秒級(jí)是困難的。這可能是必要的，但我直覺上會(huì)說這不是必要的，我想將這種納秒級(jí)同步限制到每個(gè)鏈路?！?/p>

在更大的范圍內(nèi)，量子網(wǎng)絡(luò)有著快速運(yùn)行的實(shí)際需求。量子存儲(chǔ)器的壽命很短，因?yàn)橐粋€(gè)量子比特只有在與環(huán)境隔離時(shí)才能持續(xù)。

Kozlowski說：“一般來說，人們也希望盡可能快地完成所有事情，原因很簡(jiǎn)單，量子存儲(chǔ)器壽命很短。”

網(wǎng)絡(luò)化量子系統(tǒng)必須以足夠快的速度產(chǎn)生成對(duì)的貝爾態(tài)，以便在存儲(chǔ)的量子比特衰變之前完成工作。但制作糾纏對(duì)的過程仍然很慢。在這項(xiàng)技術(shù)得到改進(jìn)之前，量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成就將會(huì)越來越小，因?yàn)樗鼈冎g的距離越來越遠(yuǎn)。

“時(shí)間是一種昂貴的資源，”QIRG文件稱。“最終，量子存儲(chǔ)器的壽命為操作量子節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)帶來了一些最困難的條件?！?/p>

正如Vint Cerf所說:“谷歌在量子計(jì)算機(jī)方面的工作進(jìn)展順利。另一些人則在研究保存糾纏態(tài)的量子繼電器。重要的問題是要保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的相干性以獲得答案。請(qǐng)注意，盡管量子糾纏具有明顯的距離無關(guān)特性，但量子網(wǎng)絡(luò)確實(shí)有光速的限制。光子在量子網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)需要時(shí)間。如果糾纏態(tài)隨時(shí)間消散，那么光速延遲就是原因之一。”

如果不堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)，互聯(lián)網(wǎng)就不是互聯(lián)網(wǎng)了。因此，QIRG將“同質(zhì)性”作為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。最終的量子互聯(lián)網(wǎng)，就像今天的經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)一樣，不管你用的是誰的硬件，都應(yīng)該運(yùn)行良好。

不同的量子中繼器要協(xié)同工作，不同種類的量子計(jì)算機(jī)要能使用網(wǎng)絡(luò)，就像互聯(lián)網(wǎng)不會(huì)告訴你用什么筆記本電腦一樣。

目前，連接不同種類的量子系統(tǒng)是未來的目標(biāo)，Kozlowski說:“目前，它們必須相同，因?yàn)椴煌挠布O(shè)置對(duì)它們可以維持的光學(xué)相互作用有不同的要求。當(dāng)它們進(jìn)入光纖時(shí)，它們被轉(zhuǎn)換到電信頻率，然后當(dāng)它在另一端時(shí)又被轉(zhuǎn)換回來。當(dāng)一個(gè)必須在兩個(gè)不同的設(shè)置之間集成時(shí)，故事變得更加復(fù)雜。”

他說：“目前正在進(jìn)行的工作是實(shí)現(xiàn)允許不同硬件平臺(tái)間串?dāng)_的技術(shù)。這是一個(gè)目標(biāo)。因?yàn)檫@是一個(gè)非常早期的階段。我們只需要接受我們所面臨的限制。很多時(shí)候，編寫軟件是為了解決短期限制，而不是為了實(shí)現(xiàn)這些更高的目標(biāo)，即完全平臺(tái)獨(dú)立和物理層獨(dú)立?！?/p>

通信也必須是安全的。在經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)上，安全是事后才考慮的問題，因?yàn)橄馛erf這樣的互聯(lián)網(wǎng)先驅(qū)是在一個(gè)緊密聯(lián)系的社區(qū)工作的，每個(gè)人都互相認(rèn)識(shí)。

憑借35年的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，QIRG從一開始就致力于安全建設(shè)。幸運(yùn)的是，量子密碼技術(shù)是高度安全的——并且?guī)缀醢凑斩x在量子網(wǎng)絡(luò)上工作。

除此之外，QIRG還想要一個(gè)有彈性且易于監(jiān)控的量子互聯(lián)網(wǎng)。

Suchara說：“我認(rèn)為科學(xué)界和潛在用戶參與標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議非常重要，因?yàn)橛幸恍┲匾募軜?gòu)決策需要做出——而且不清楚如何做出?！?/p>

量子互聯(lián)網(wǎng)將在本地啟動(dòng)。Riverlane公司的首席執(zhí)行官Steve Brierley說，雖然QIRG正在考慮跨越數(shù)公里，但量子計(jì)算初創(chuàng)公司可以在更小的網(wǎng)絡(luò)中看到這種用途。Riverlane公司急于連接足夠大的量子計(jì)算機(jī)來做實(shí)際工作。

Brierley說：“這個(gè)概念是建立功能良好的模塊，然后將它們聯(lián)網(wǎng)在一起，目前，這將在同一個(gè)房間，甚至可能在同一個(gè)制冷機(jī)里。”

他繼續(xù)說：“這種程度的網(wǎng)絡(luò)可能在未來五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上，今天已經(jīng)有這樣的例子了?！?/p>

除此之外，遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生延遲。正如前文提到的，這將限制我們所能做的事情，因?yàn)榱孔訑?shù)據(jù)是非常短暫的。

目前，沒有多少人能參與進(jìn)來，Kozlowski說:“硬件目前仍在實(shí)驗(yàn)室中，而不是真正在外面?！?/p>

但是，對(duì)于那些實(shí)驗(yàn)室的研究人員來說，Kozlowski說:“有很多事情要做”，而且工作“非常復(fù)雜”。每個(gè)人都在挑戰(zhàn)極限，但當(dāng)你想將其與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模和范圍相比時(shí)，它仍然是基礎(chǔ)的。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的Andreas Wallraff教授用一根真實(shí)的管道在兩臺(tái)制冷機(jī)之間發(fā)送微波信號(hào)。

馬克斯·普朗克研究所已經(jīng)展示了量子隱形傳態(tài)，將量子信息從一個(gè)量子比特傳輸?shù)?0米外的實(shí)驗(yàn)室。

在QuTech大學(xué)，Stephanie Wehner教授展示了一個(gè)“鏈路層”協(xié)議，它通過底層量子網(wǎng)絡(luò)提供可靠的鏈路。QuTech展示了一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，其中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)中間中繼器連接起來。

在美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，Suchara在創(chuàng)建可靠通信方面的努力無疑是一個(gè)小小的開始。他正在研究共享量子態(tài)，目前還不打算直接連接任何量子計(jì)算機(jī)。

對(duì)他來說，第一件事是讓系統(tǒng)充分同步，以處理基本的量子通信：“有了FPGA板，我們已經(jīng)有了一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室工作的時(shí)鐘同步協(xié)議。我們希望在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)這種時(shí)鐘同步——我們認(rèn)為我們項(xiàng)目的第一年將專注于此?！?/p>

Suchara認(rèn)為遠(yuǎn)程量子計(jì)算即將到來：“即將發(fā)生的事情是連接位于不同城市或相隔甚遠(yuǎn)的量子計(jì)算機(jī)。”

理想情況下，他認(rèn)為長(zhǎng)鏈路將使用相同的協(xié)議套件，但他承認(rèn)，短鏈路可能需要不同的長(zhǎng)距離協(xié)議：“對(duì)于短距離和長(zhǎng)距離通信，觸發(fā)通信的中間層可能不同。但我要說的是，構(gòu)建一個(gè)盡可能通用的協(xié)議套件是很重要的。我可以告訴你，讓經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)如此成功的一件事是能夠互聯(lián)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。”

Suchara已經(jīng)在研究異質(zhì)性：“量子信息的編碼有不同的類型。一種是連續(xù)變量。另一種是離散變量。你可以在連續(xù)變量和離散變量系統(tǒng)之間進(jìn)行混合糾纏。我們希望探索將這些系統(tǒng)連接起來的理論協(xié)議，并做一個(gè)演示，允許在阿貢實(shí)驗(yàn)室量子鏈路網(wǎng)絡(luò)上傳輸這兩種類型的糾纏?！?/b>

阿貢團(tuán)隊(duì)有一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)模擬器來嘗試各種想法：“我們有一個(gè)協(xié)議的工作原型。還有一個(gè)模擬器，可以評(píng)估替代協(xié)議設(shè)計(jì)。這是一個(gè)可供社區(qū)使用的開源工具。我們的計(jì)劃是繼續(xù)用新功能擴(kuò)展模擬器?！?/p>

由于糾纏產(chǎn)生和中繼器的缺陷，以及長(zhǎng)光纖上的單個(gè)光子最終會(huì)丟失的事實(shí)，使量子網(wǎng)絡(luò)延伸到長(zhǎng)距離將是困難的。

“這是一個(gè)技術(shù)限制，”Kozlowski說。“給我們足夠的時(shí)間，硬件將足夠好，可以在越來越遠(yuǎn)的距離上分配糾纏。”

不清楚我們多快能到達(dá)那里。Kozlowski估計(jì)，基于糾纏的量子網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)在10到15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

這實(shí)際上是一個(gè)快速的轉(zhuǎn)變，量子互聯(lián)網(wǎng)將跳過過去幾十年在經(jīng)典世界中的反復(fù)試驗(yàn)。從分層協(xié)議棧和軟件定義的網(wǎng)絡(luò)開始。

超越分布式量子計(jì)算的一步，將是更難的一步，因?yàn)槟壳傲孔佑?jì)算機(jī)大多使用超導(dǎo)或俘獲離子量子比特，而這些量子比特本身并不與光子相互作用。

在這個(gè)階段，這一切聽起來可能太復(fù)雜了。為什么這么做？

Kozlowski教授解釋了量子互聯(lián)網(wǎng)不是什么：“它的目的不是取代經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)。因?yàn)?，就像量子?jì)算機(jī)不會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，某些事情在經(jīng)典上做得相當(dāng)好。沒有必要用量子取代它?！?/p>

量子互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)副產(chǎn)品可能是對(duì)經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)：“在我看來，我們應(yīng)該利用這個(gè)機(jī)會(huì)來改進(jìn)經(jīng)典控制協(xié)議的OSI模型的某些方面，”Suchara說。

“例如，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)問題是控制平面的安全性。我認(rèn)為，如果你重新設(shè)計(jì)，這是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，在控制平面中建立更多的安全機(jī)制，以提高魯棒性。顯然，幾十年來，互聯(lián)網(wǎng)在幾乎所有可以想象的方面都做得很好，但仍有一點(diǎn)需要改進(jìn)，那就是控制平面的安全性?！?/p>

Kozlowski同意這一點(diǎn)，并指出量子密鑰分發(fā)已經(jīng)存在，還有其他量子密碼原語，可以提供更好的認(rèn)證和更安全的鏈路。

而計(jì)時(shí)的改進(jìn)也可能帶來好處，包括創(chuàng)造更長(zhǎng)的基線射電望遠(yuǎn)鏡和其他巨型行星儀器。

最大的價(jià)值可能是分布式量子計(jì)算，但Kozlowski聽起來很謹(jǐn)慎：“目前還不是100%清楚如何進(jìn)行計(jì)算。我們必須首先弄清楚，相對(duì)于一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)，我們?nèi)绾卧?萬臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。”

但是Steve Brierley希望看到大型、實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，其高性能計(jì)算(HPC)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前令人印象深刻的成就。

Brierley說，由于今天的HPC系統(tǒng)，“我們不再‘發(fā)現(xiàn)’飛機(jī)，我們使用流體動(dòng)力學(xué)來設(shè)計(jì)它們。我們有一個(gè)基本物理模型，我們使用HPC來求解那些方程?！?/p>

如果量子計(jì)算機(jī)達(dá)到工業(yè)規(guī)模，Brierley相信它們可以給其他領(lǐng)域帶來同樣的效果，例如醫(yī)學(xué)，我們還不能足夠快地求解方程。

他說：“我們?nèi)栽凇l(fā)現(xiàn)’新藥，我們已經(jīng)破譯了人類DNA序列，但這只是一部分清單?！眲?chuàng)造一種藥物意味著找到一種化學(xué)物質(zhì)，由于其形狀和電特性，這種化學(xué)物質(zhì)可以鎖定蛋白質(zhì)上的特定位點(diǎn)。但是預(yù)測(cè)這些相互作用意味著求解運(yùn)動(dòng)中原子的方程。

他說：“蛋白質(zhì)隨著時(shí)間移動(dòng)，這為分子創(chuàng)造了更多的結(jié)合位置，量子力學(xué)告訴我們分子和蛋白質(zhì)、原子和電子將如何隨時(shí)間移動(dòng)。但是我們沒有計(jì)算機(jī)來解這些方程。正如理查德·費(fèi)曼所說，除非我們建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，否則我們永遠(yuǎn)也做不到。”

他說，一臺(tái)可以發(fā)明任何新藥物的量子計(jì)算機(jī)非常值得付出努力：“如果量子計(jì)算機(jī)唯一能做的事情是優(yōu)化一些物流路線，或者解決一個(gè)我們已經(jīng)知道答案的數(shù)論問題，我會(huì)感到失望?！?/p>

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們真正需要的是一臺(tái)分布式量子計(jì)算機(jī)。為此，我們需要量子互聯(lián)網(wǎng)。

代爾夫特理工大學(xué)量子計(jì)算研究所QuTech有一個(gè)通往量子互聯(lián)網(wǎng)的路線圖。

1.基礎(chǔ)量子網(wǎng)絡(luò)

即使在交換量子信息之前，具有可信中繼器的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)也可以進(jìn)行量子密鑰分發(fā)。

2.量子網(wǎng)絡(luò)原型

當(dāng)糾纏被用來有效地與另一個(gè)位置共享一個(gè)量子比特時(shí)，真正的量子網(wǎng)絡(luò)就開始了。量子中繼器使用不可克隆定理來進(jìn)一步分配糾纏以覆蓋更遠(yuǎn)的距離，并在任何位置共享一個(gè)量子比特。

3.高級(jí)量子網(wǎng)絡(luò)

量子存儲(chǔ)器到來，可以存儲(chǔ)量子信息一段時(shí)間。這將支持隱形傳態(tài)和盲量子計(jì)算，以及量子時(shí)鐘同步。存儲(chǔ)器壽命和錯(cuò)誤率的提高使得簡(jiǎn)單的分布式量子計(jì)算成為可能。每個(gè)端節(jié)點(diǎn)都有一臺(tái)完全成熟的量子計(jì)算機(jī)，完全分布式量子計(jì)算是可能的。

1.量子比特

經(jīng)典數(shù)據(jù)用比特表示，比特可以是0或1，而量子數(shù)據(jù)用量子比特表示，量子比特是一種“疊加”。它們以1和0組合的形式存在。當(dāng)你有多個(gè)量子比特時(shí)，所有可能的狀態(tài)同時(shí)存在。

2.糾纏

當(dāng)兩個(gè)粒子糾纏在一起時(shí)，它們具有不獨(dú)立的量子態(tài)。當(dāng)它們相距很遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)一個(gè)粒子的測(cè)量會(huì)立即影響到另一個(gè)粒子。愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”，量子互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者稱之為量子信息交流的好方法。

3.貝爾對(duì)

兩個(gè)高度糾纏的量子比特是一個(gè)“貝爾對(duì)”(以物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾命名)，它可以有四個(gè)值。如果這兩個(gè)量子比特是分開的，那么這對(duì)量子比特的狀態(tài)可以通過任意一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)中的操作來改變。

4.測(cè)量

疊加是強(qiáng)大的，但是產(chǎn)生了一個(gè)問題。在一個(gè)經(jīng)典系統(tǒng)中，你可以隨時(shí)查看一點(diǎn)。在量子系統(tǒng)中，測(cè)量的行為破壞了疊加態(tài)——有效地結(jié)束了任何糾纏，并將量子比特變成了一個(gè)普通的比特，要么是1，要么是0。

5.不可克隆定理

雪上加霜的是，你也不能復(fù)制一個(gè)量子比特。“不可克隆定理”規(guī)定你不能創(chuàng)造未知量子態(tài)的副本。因此，放大和傳輸信號(hào)的方式也必須有所不同。

6.隱形傳態(tài)

雖然你不能讀取或復(fù)制一個(gè)量子比特，但是你可以傳送一個(gè)未知的量子比特狀態(tài)——使用一個(gè)配糾纏對(duì)。源將它想要傳輸?shù)牧孔颖忍嘏c量子比特對(duì)的末端糾纏在一起。目的地也是這樣，糾纏對(duì)的一端被轉(zhuǎn)換成未知的量子比特狀態(tài)。因?yàn)槌跏剂孔颖忍貭顟B(tài)被破壞，量子比特被“傳輸”(未復(fù)制)。

這篇文章最早發(fā)表在DCD雜志第43期：

https://www.datacenterdynamics.com/en/analysis/why-do-we-need-a-quantum-internet/

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的我们为什么需要量子互联网(所谓的量子互联网)的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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