量子計算還有多遠(yuǎn)的路要走

當(dāng)我們進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時代，科技進(jìn)步和社會發(fā)展就建立在了數(shù)據(jù)與計算能力的基礎(chǔ)之上。

龐大的數(shù)據(jù)量與快速的計算能力這兩大基本因素決定著我們進(jìn)入未來社會的速度，而在當(dāng)前的各種新技術(shù)中，量子計算無疑是最具未來感的新技術(shù)之一。

目前，在量子計算領(lǐng)域，無論是理論還是硬件的每一次突破都會成為業(yè)內(nèi)和媒體的焦點，并引發(fā)我們對未來社會的更多憧憬。

研究認(rèn)為，雖然量子計算機(jī)正在登上各種頭條新聞，但量子通信技術(shù)可能更接近于實際應(yīng)用。因為構(gòu)建處理能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機(jī)的量子計算機(jī)將需要非常大的量子比特網(wǎng)絡(luò)，但你只需要更少的努力就可以搭建有用的通信網(wǎng)絡(luò)。

在《科學(xué)》雜志的一篇論文中，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員概述了一個由量子連接的量子計算機(jī)全球網(wǎng)絡(luò)的六個發(fā)展階段，并指出我們目前正處于最底層的階段。

量子互聯(lián)網(wǎng)的6個發(fā)展階段(來源：Science)

作者認(rèn)為，其中每個階段都在功能提升的同時，伴隨著更大的技術(shù)難度。但作者樂觀地表示：“我們正處于一個激動人心的時刻，類似于經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的前夜?！蓖瑫r，作者還寫道，“最近的技術(shù)進(jìn)步表明，我們可能會在未來五年內(nèi)看到量子網(wǎng)絡(luò)的首次小規(guī)模實施。”

相對于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，量子通信網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點是速度和安全性。量子糾纏使得原則上可以在任意遠(yuǎn)的距離內(nèi)實現(xiàn)即時通信。無論你把兩個糾纏的量子比特分開多遠(yuǎn)，在一個量子比特上的作用，都會對另一個量子比特產(chǎn)生即時、可測量的影響。

目前，我國在量子通信應(yīng)用方面已走在世界前列。2017年6月16日，我國量子科學(xué)實驗衛(wèi)星墨子號首先成功實現(xiàn)，兩個量子糾纏光子被分發(fā)到相距超過1200公里的距離后，仍可繼續(xù)保持其量子糾纏的狀態(tài)。

從理論上講，竊聽量子對話基本是不可能的事情。在量子力學(xué)下，如果你讀取到一個目標(biāo)對象的量子態(tài)時，它會改變量子態(tài)，這意味著攔截任何以量子態(tài)編碼的信息的行為將會立即造成消息內(nèi)容的改變。

但是，使得量子通信在本質(zhì)上安全的特性同樣也構(gòu)成了一個重大挑戰(zhàn)。它意味著量子比特不能被復(fù)制或放大，而這是經(jīng)典通信系統(tǒng)的兩個基本因素。

盡管如此，工作量子“可信中繼器網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)投入運行。研究人員認(rèn)為這是邁向全量子互聯(lián)網(wǎng)的第一步。這些網(wǎng)絡(luò)具有可以編碼和解碼量子位的節(jié)點，然后通過光纜發(fā)送或者可能通過衛(wèi)星從空間發(fā)射。

但是，由于量子信號會隨傳播而衰減，因此必須將消息從一個節(jié)點傳遞到另一節(jié)點，以覆蓋更長的距離。這些切換中的每一個節(jié)點都是安全的。但是，如果兩個遠(yuǎn)程節(jié)點需要通信，則其間的所有節(jié)點都知道消息的內(nèi)容，因此如果消息要保持安全，則必須被信任。

研究人員表示，為了達(dá)到下一階段，我們需要開發(fā)可靠的量子中繼器。這是一種能夠與每個節(jié)點建立糾纏量子位的設(shè)備，然后依靠量子隱形傳態(tài)來有效地交換糾纏，從而使兩個節(jié)點糾纏在一起。由這些類型的中繼器連接的網(wǎng)絡(luò)將允許任何節(jié)點之間進(jìn)行安全地通信，而不必信任任何中間媒介。

2017年10月，中國科技大學(xué)的科學(xué)家首次利用參量下轉(zhuǎn)換光源實現(xiàn)了基于線性光學(xué)的量子中繼器中的嵌套糾纏純化和二級糾纏交換過程。這為將來實現(xiàn)基于原子系綜的可擴(kuò)展線性光量子中繼器提供了前瞻性的技術(shù)指引。

量子密鑰分發(fā)則允許兩個節(jié)點以無法被竊聽的方式安全地共享加密密鑰，然后可以用于解碼通過傳統(tǒng)通信信道發(fā)送的加密消息。

然而，糾纏遠(yuǎn)距離量子比特的過程會在此刻被擊中或錯過，因此下一階段將是創(chuàng)建一個能夠按需創(chuàng)建糾纏的網(wǎng)絡(luò)。據(jù)研究人員稱，這種“糾纏分布網(wǎng)絡(luò)”的主要優(yōu)點是它將使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨立。

之后，量子存儲器的發(fā)展將允許更復(fù)雜的通信協(xié)議，這些協(xié)議需要在進(jìn)一步通信的過程中存儲量子信息。然而，這是一個重大挑戰(zhàn)，因為量子態(tài)會通過一個被稱為量子退相干的過程迅速降級。大多數(shù)技術(shù)方案只保持其狀態(tài)數(shù)秒或幾分之一秒，這對于通信時間比這長的網(wǎng)絡(luò)提出了問題。

但如果能夠?qū)崿F(xiàn)，它將使簡單的量子節(jié)點就可以將計算發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的量子計算機(jī)，從而可能創(chuàng)建一種量子云。

最終，目標(biāo)是創(chuàng)建一個完全連接的量子計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。第一階段將是“幾個量子比特的容錯網(wǎng)絡(luò)”，其中每個節(jié)點的量子計算機(jī)還不足以超越標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)。盡管如此，它們結(jié)合了容錯性的事實意味著其將執(zhí)行相對復(fù)雜的計算并在相當(dāng)長的時間內(nèi)存儲量子數(shù)據(jù)。

最后階段，將是這些量子計算機(jī)最終超越其前輩，從而有可能創(chuàng)建分布式計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，能夠執(zhí)行以前不可能的計算，并即時且安全地在世界各地實現(xiàn)共享。

通往量子計算的未來還有很長的路要走。我們需要更好的編碼、存儲和傳輸量子信息的方法，甚至更重要的是，我們需要建立互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的量子等價物，而這在今天幾乎完全缺乏。