量子网络

量子网络是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子网络。量子网络的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

将一个粒子量子信息发向远处的另一个纠缠粒子,该粒子在接收到这些信息后,会成为原粒子的复制品。一个粒子可以传递有限的信息,而亿万个粒子联手,就形成量子网络。

量子理论研究者很早就发现了开启量子通讯的钥匙量子纠缠。量子纠缠描述了这样一个现象:两个微观粒子位于宇宙空间中的两边,无论相隔多远,只要这两个粒子彼此处于量子纠缠,则通过改变一个粒子的量子状态,就可以使非常遥远的另一个粒子状态也发生改变,信号超越了时空的阻隔,直接送达了另一个粒子那里。

这种神奇的现象和我们生活中所说的“心灵感应”很类似,两个相距遥远的人不约而同地想去做同一件事,好像有一根无形的线绳牵着两个人。

这种理论上的超过通讯方式激起了量子科学家们的雄心壮志,他们试图建立起比现在的互联网快千万倍的量子网络。

20世纪60年代至70年代,人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热,极大地影响了芯片的集成度,从而限制了计算机的运行速度。研究发现,能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么,是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢?问题的答案是:所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机,而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作,那么在量子力学中,它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子网络,实际上是用量子力学语言描述的经典计算机,并没有用到量子力学的本质特性,如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中,基本信息单位为比特,运算对象是各种比特序列。与此类似,在量子网络中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同,量子网络可以做任意的幺正变换,在得到输出态后,进行测量得出计算结果。因此,量子计算对经典计算作了极大的扩充,在数学形式上,经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子网络对每一个叠加分量进行变换,所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来,给出结果,这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外,量子网络的另一重要用途是模拟量子系统,这项工作是经典计算机无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是,在实际系统中量子相干性很难保持。在量子网络中,量子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干。因此,要使量子计算成为现实,一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是:量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围广,缺点是效率不高。

量子粒子是脆弱,一点风吹草动就会让它丢失信息。由于测不准原理,任何观测都会使量子状态坍缩。所以,长期以来,量子网络只被当作科学幻想来看待。

迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子网络。但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算,方案并不少,问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子电子核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景,只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场,最后脱颖而出的是一种全新的设计,而这种新设计又是以某种新材料为基础,就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子网络的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子网络使计算的概念焕然一新,这是量子网络与其他计算机如光计算机生物计算机等的不同之处。量子网络的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。

美国的科学家

美国的科学家已经利用一束强激光轰击一团铷原子,生成了具备这团铷原子量子态的单个光子,然后把这个光子传送到100米长的光缆,输送到另一团铷原子中,生成了与原来的铷原子同样量子态的另一团铷原子,光子携带的量子态信息没有丝毫损失,从而实现了原子与光子的量子态传输

夸祖鲁-纳塔尔大学

南非夸祖鲁-纳塔尔大学量子技术中心的研究人员,在量子密码领域的光子加密技术应用研究方面取得重大进展,他们成功地将基于光子加密技术的计算机安全系统应用到南非德班市的一个小型网络中。

彼得鲁乔内

负责此项研究的量子物理学家弗兰塞斯科彼得鲁乔内介绍说,利用光子对数据进行加密,是一种绝对安全的信息传递方法。该方法背离现有的数学运算法则,与传统的信息传递方法大相径庭。它利用的是一种量子力学现象量子纠缠,又称量子缠结,要想破译它的密码是非常困难的。而且,使用该技术的网络安全系统非常敏感,如果有人对两个正在通讯联络的人进行窃听或刺探干扰,通讯双方可以立即察觉到。

彼得鲁乔内认为,理论必须应用到现实中。“智能城市”计划已经让众多的学生受益,因为它可以让学生有机会在现实环境中检验实验室中创造的技术。但要吸引更多的学生来研究量子物理,就必须有更多的发明,使量子技术能创造更多的就业机会。

德班

作为该项目的资助方之一,德班市目前已将该技术应用到一个小型网络中,该网络由两个诊所、一个市政中心和一个消防站组成。这使德班成为南非第一个拥有量子网络的城市,同时这也是德班市建设“智能城市”计划的一部分。该市的管理者相信,量子信息和通讯技术不仅会促使市政当局转型为一个由高技术信息驱动的组织机构,而且会让德班成为未来技术的“孵化器”。

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