量子網絡

2024年1月8日發(作者：珍珠鳥課件)

量子概念:一個物理量如果有最小的單元而不可連續的分割，我們就說這個物理量是量子化的，并把最小的單元稱為量子。

量子網絡:就是量子版的互聯網。基本上就是要復制我們現在所有的互聯網的結構，比如說現在互聯網，基本上可以想到，是有很多的計算機，那么彼此之間是能夠用網絡進行互相通訊。所以在一個量子版網絡里面，基本上就是需要有很多的量子計算機，將這些量子計算機，用網絡連接起來，彼此之間可以傳遞量子信息。這就是量子互聯網的一個觀念。

量子比特:基本上，可以這樣想，我們現在在互聯網領域、計算機里，所有的運算，都是用比特來表示，比特就是一個0或者是一個1。現在如果說，有一天發現了有一種物質，具有一種特別性，就是有一點像比特，但是這種物質比0和1具有更多別的性質。現在的問題是，有沒有方法能夠運用它，會不會比現在的計算機和網絡更加快，更加有效。這個就是量子比特的觀念。

交叉信息：現在變成一個非常大的科學，這牽扯到的科學，搜索來講，網絡社團來講，所牽扯到的是計算機要和商業、社會學；同時，生物網絡等，都有很多的學科要交叉。要有一個好的方法能夠使學科交叉。但是，在美國，大家覺得是非常靈活的一個大學機制，但還沒有一個交叉信息研究院，因為大家不愿意將交叉的信息放到別的單位當中去。

全量子網絡:指由量子傳輸通道和量子結點組成的復雜信息網絡。每個量子結點有一定的信息存儲和處理功能，單個量子結點構成一個小型的量子計算機，而量子通道則連接不同小型量子計算機。不同于現有互聯網，全量子網絡應用了量子物理特性，可突破現有網絡物理極限，具有更強信息傳輸和處理能力。5年后建成后的全量子網絡雛形光纖通信距離將達到150公里，存儲速度在1至2秒之間。

量子信息:是量子力學與信息科學相融合的新興交叉學科，為信息科學的發展開拓新的原理和方法，已成為世界各國戰略競爭的焦點之一。中國的全量子網絡項目系973計劃重大科學問題導向項目，于去年年底獲批。由于該項目所在的實驗室也是全國唯一的該類別實驗室，因此該網絡建成后將是中國首個全量子網絡。

量子密碼：是一種截然不同的加密方法，主要利用量子狀態來作為信息加密和解密的密鑰。任何想測算和破譯密鑰的人，都會因改變量子狀態而得到無意義的信息，而信息合法接收者也可以從量子態的改變而知道密鑰曾被截獲過。從理論上來說，用量子密碼加密的通信不可能被竊聽，安全程度極高。量子密鑰由量子力學的物理原理保證密鑰分配的絕對安全，可以對竊聽行為進行檢測，另外，信息加載在光子上，同時也便于與現有光網絡集成。

量子糾纏（quantum entanglement）：又譯量子纏結，是一種量子力學現象，其定義上描述復合系統（具有兩個以上的成員系統）之一類特殊的量子態，此量子態無法分解為成員系統各自量子態之張量積（tensor product）。所謂量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間存在非定域、非經典的強關聯。量子糾纏涉及實在性、定域性、隱變量以及測量理論等量子力學的基本問題，并在量子計算和量子通信的研究中起著重要的作用。

所謂香濃理論：是指貝爾實驗室的香濃在1940年奠定的經典信息論的基礎。香濃理論解決了任何通信信道的理論容量，即是說沿著通信信道能夠可靠傳送最大數量信息，并闡述了有

效傳送信息的壓縮技術。但是，香濃理論只應用于經典信息論。量子纏結信息的出現，使香濃理論面臨新問題，要求香濃理論的新突破，為量子互聯網的發展開辟道路。

在經典信息理論中，信息量的基本單位是比特（bit），一個比特是給出經典二值系統一個取值的信息量。例入{0,1}

在量子信息理論中，量子信息的基本單位是量子比特（qubit）。一個qubit是一個雙態量子系統，即兩個線性獨立的態，常記為：|0>和|1> 。以這兩個獨立態為基矢，構成一個二維復矢量空間，即二維Hilbert空間。一個量子比特可以有4個量子態。（比經典比特多2個）

目前量子位的物理載體就是光子，|R>:右圓極化偏振光，|L>：左圓極化偏振光。

量子通信技術就是利用了量子的糾纏特性進行量子比特收發的通信技術。

(1)量子信息奇特的脆弱性：建立量子Internet面臨的一個問題是量子粒子的脆弱性，容易丟失信息，也就是說，只要能看到量子粒子，它就有了被破壞的可能性。這個問題不僅涉及能夠存儲的信息數量，而且涉及能夠檢索的信息數量。解決這個問題的辦法是測量量子，通過測量，掌握量子的變化特性。

(2)量子纏結信息古怪的特性：經典信息論是0和1組成的序列，通過改變導線上的電壓可以實現這種序列編碼。在一定的電壓電平之上是1，反之則是0。然而，量子粒子(如光子)中的部分信息的編碼則具有完全不同的特點。光子在同一時間有兩種或多種存在狀態。例如，能夠將光子的電場加以濾波，這樣它就在一個特定的平面產生極化振蕩。當振蕩平面變成垂直極化時，此平面稱為0，當振蕩平面變成水平極化時，此平面稱為1。然而，由于“量子疊加”，光子可能同時垂直和水平極化，可能同時為0和1。

但是，纏結使得這一切都發生了改變。纏結粒子的奇妙之處在于測量一對粒子中的一個，便能確定另一個的測量結果，而不管這兩個粒子相距多遠。這種在時間和空間內魔術般地連接兩點，充分說明了纏結信息的含意，也充分的意味著纏結將會給未來的網絡通信帶來巨大的變化。

應用：

全量子網絡在高溫超導、信息安全、分布式量子計算和新材料量子仿真等領域均有重要應用價值。

在量子世界當中，告訴我們一個好消息，實際上如果有非常精細，非常高級的一種儀器的話，可以探討兩條路同時走。這個就是量子世界有這個可能性，可以做一個同時的搜索。

這種力量是一種驚人的計算力量。所以，做量子信息研究的人，基本的精神，有沒有方法能夠把這些能量、計算力量從原子里面釋放出來。

這種量子網絡，可以有簡單的方法，全部都是用光子。但是全光子的網絡，是用光子來做這個網絡，就有一個問題，很遠的網絡做不了，要真正做的話，就需要有更復雜的科技，就是把光子和物子結合起來，這個是大家現在覺得最有希望的科技。就是用離子井的方法，就是用離子做存儲。這里有兩個離子，彼此之間距離非常近，這個就可以拿來存儲量子比特。

但要將量子密碼應用于網絡通信，國際學術界面臨兩大難題。其一是量子密碼系統的穩定性問題，即要經受得住商用通信網絡環境下的各種干擾。２００４年，郭光燦領導的研究小組在北京和天津之間成功實現了１２５公里光纖的點對點的量子密鑰分配，解決了量子密碼系統的穩定性問題。

另外一個難題則是，在量子信息不能測量、測量就會被破壞的前提下，網絡在傳輸中如何自動找到特定的路徑，將信息完整準確地傳送給對方。為解決這個難題，郭光燦領導的研究小組巧妙利用波分復用技術，設計出國際上第一個量子路由器，解決了量子信息自動尋址難題，使量子網絡中任意一個用戶都能自由選定網內任意用戶與其實現量子密碼通信。

未來的應用前景主要有：

1、實現不可解密碼通信

量子密碼的安全性由量子力學原理所保證。任何對量子態的測量都會干擾量子態本身。量子不可克隆定力確保竊聽者不會成功。

2、實現超高速通信

由于傳播單位為量子，因此理論上可以實現接近無限告訴的數據量傳輸，與目前利用光的波動性的現行光通信相比，由于所消耗的功率降低可以應用到衛星通信等領域。現有的光通信技術是根據光的強弱用0和1表示數字信號，而量子通信則是用光子承載信息，通過光纖傳輸出去，其傳輸量將比現在的光通信技術在光纖的傳輸量上增加上千萬倍。

3、量子因特網

量子因特網是用量子通道來聯絡許多量子處理器，它可以同時實現量子信息的傳輸和處理，相比于現在的經典因特網，量子因特網具有安全保密特性，可實現多端的分布計算，有效降低通信復雜度。