量子網(wǎng)絡是未來高速企業(yè)通信的基礎。

無縫量子網(wǎng)絡所需的技術必須部署在遠距離的多個節(jié)點上，以實現(xiàn)超安全、可靠和快速的量子比特數(shù)據(jù)傳輸。量子物理原理是量子網(wǎng)絡的基礎。

什么是量子網(wǎng)絡？

量子網(wǎng)絡與量子物理和通信直接相關。其物理基礎設施包括多個以量子位形式交換信息的量子處理器。量子網(wǎng)絡是在量子網(wǎng)絡內傳輸和接收以量子位狀態(tài)編碼的信息的過程。

量子物理原理控制著量子網(wǎng)絡協(xié)議和算法，在分布于遠距離的多個節(jié)點之間以高度加密的方式交換信息。這些原理啟動了量子網(wǎng)絡協(xié)議，以提供快速、可靠和安全的通信。

由于量子網(wǎng)絡是一種全新的網(wǎng)絡技術，因此提供商將其商業(yè)化可能是一個挑戰(zhàn)。本文討論了量子網(wǎng)絡的一些優(yōu)點和缺點，以及與其實施相關的挑戰(zhàn)。

量子網(wǎng)絡的好處

盡管量子網(wǎng)絡仍處于萌芽階段，但極有潛力提供多種下一代優(yōu)勢。量子網(wǎng)絡的好處包括：

• 應用范圍廣泛
• 共同解決問題
• 遠距離通信
• 可靠的傳輸
• 增強安全性
• 量子密碼學
• 錯誤檢測和糾正

應用廣泛

在量子網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡以量子位（通常稱為邏輯量子位）的形式發(fā)送和接收信息。量子位的糾纏或疊加狀態(tài)對信息進行編碼。這些量子位同時存在于多種狀態(tài)，即0、1或兩者，但在測量時由于波函數(shù)坍縮而發(fā)生變化。

光子能量驅動大多數(shù)量子網(wǎng)絡技術。雙粒子和波狀性質提供了各種與量子相關的應用，如量子傳感、量子隱形傳態(tài)、量子模擬等。

共同解決問題

理想情況下，一定數(shù)量的量子網(wǎng)絡可以部署多個節(jié)點來解決共同的問題。量子網(wǎng)絡需要高計算能力和速度來計算復雜問題。

例如，分布式量子計算是一個量子網(wǎng)絡集群，其中多個量子處理器連接起來共同解決復雜問題并執(zhí)行高速計算。量子網(wǎng)絡基礎設施還可以連接到量子互聯(lián)網(wǎng)，與量子處理器、傳感器、中繼器、控制器和其他設備形成量子物聯(lián)網(wǎng)。

遠距離通信

量子糾纏描述了量子位的長距離傳輸。在量子網(wǎng)絡中，兩個或多個量子位處于具有相同或相反自旋的糾纏狀態(tài)。這些量子位首先交織在一起，然后分開很遠的距離。

如果一個量子位的狀態(tài)在測量時發(fā)生變化，則另一個量子位會自動發(fā)生變化。量子糾纏有時稱為量子隱形傳態(tài)，因為實際的量子位不會通過通道傳輸?shù)铰酚善骱推渌W(wǎng)絡設備。

傳輸可靠

TCP/IP模型描述了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡上的傳輸以及接收方的確認。量子網(wǎng)絡消除了確認的需要，因為可以預測交織的狀態(tài)。

量子中繼器部署在單個或多個位置，以增強量子網(wǎng)絡的可靠性、計算能力和范圍。換句話說，量子中繼器減少了退相干和信號損失的影響，以提供準確的信息。

增強安全性

不可克隆定理指出，不可能將未知狀態(tài)的量子信息復制到另一個狀態(tài)。被稱為竊聽者的黑客無法創(chuàng)建未知糾纏量子態(tài)的完全獨立且相同的副本。

然而，黑客可以嘗試操縱量子網(wǎng)絡中的量子位以獲得一定程度的復制。量子網(wǎng)絡協(xié)議可以檢測通道上的操縱，并提供量子錯誤檢測和糾正功能，以確保高水平的安全性。

量子密碼學

量子網(wǎng)絡結合了量子密碼學來加密和解密信息。量子密鑰分發(fā)(QKD)是一種量子加密協(xié)議，可在不安全的網(wǎng)絡上以量子位或偏振光子的形式共享密鑰。

在量子密碼學中，海森堡的不確定性原理指出，不可能同時測量粒子的速度和位置以實現(xiàn)超安全連接。發(fā)送方和接收方比較測量結果以消除錯誤、檢測第三方嘗試并解密密鑰。QKD協(xié)議包括BB84、基于誘餌的QKD等。

錯誤檢測和糾正

量子網(wǎng)絡可以通過量子錯誤檢測和校正算法幫助實現(xiàn)高精度。許多糾錯算法檢測接收到的量子位狀態(tài)與傳輸光子的偏差。

這些協(xié)議使用戶能夠找出可能對量子網(wǎng)絡進行的黑客嘗試。一些糾錯碼包括短程碼、玻色碼和位翻轉碼。

量子網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)

盡管量子網(wǎng)絡有很多好處，但也并非沒有挑戰(zhàn)。量子網(wǎng)絡的缺點包括：

• 量子信息的脆弱性
• 復雜的操縱
• 溝通慢
• 可擴展性問題
• 成本高
• 復雜的集成

量子信息的脆弱性

量子信息本質上是脆弱的，這使得其容易受到環(huán)境因素的影響，例如量子干擾、退相干和信號丟失。網(wǎng)絡專業(yè)人員可以在多個網(wǎng)段部署量子中繼器，以保持量子網(wǎng)絡的準確性。此外，量子運算符需要在糾錯過程中對量子位進行操作。

復雜的操控

從企業(yè)的角度來看，無法復制量子態(tài)可能會限制許多常規(guī)應用。在這些情況下，量子邏輯門操縱節(jié)點之間的量子信息以實現(xiàn)傳輸。然而，量子邏輯門不能違反不可克隆定理。

溝通慢

一個常見的誤解是量子通信比光速更快。然而，量子網(wǎng)絡經(jīng)常使用傳統(tǒng)的通信方法來消除超光速通信的可能性。量子網(wǎng)絡使用光纖進行通信，就像傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)一樣。

可擴展性問題

長距離量子通信目前是假設的，因為具有許多節(jié)點的量子網(wǎng)絡使用短距離將其分開。量子網(wǎng)絡通常比經(jīng)典網(wǎng)絡具有更少的處理器。量子處理器實際上可以在量子網(wǎng)絡協(xié)議中生成更少的疊加或糾纏量子位。

成本高

量子網(wǎng)絡的實施和維護需要高成本的投資。量子網(wǎng)絡硬件和軟件需要在技術、工程和成本方面進行大量投資。高預算行業(yè)，如政府、深空研究和密碼項目，更適合量子網(wǎng)絡。

復雜的集成

量子網(wǎng)絡有混合網(wǎng)絡所需的自己的標準化和互操作性。為了與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)融合，網(wǎng)絡必須部署大量量子處理器。此外，TCP/IP通信模型和量子網(wǎng)絡工作在不同的技術上，很難將它們結合起來。

量子網(wǎng)絡的未來

大型企業(yè)和組織對量子網(wǎng)絡感興趣，以實現(xiàn)優(yōu)化計算和快速通信并解決復雜問題。

量子網(wǎng)絡需要數(shù)年時間才能像當前的計算機網(wǎng)絡一樣以可承受的價格進行商業(yè)運營。在接下來的幾十年里，IT、太空、研究、醫(yī)療保健和零售等多個行業(yè)可以通過量子網(wǎng)絡實現(xiàn)快速通信和高性能計算。