量子網(wǎng)絡(luò)解決方案：通過地面和空中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接

北京時(shí)間5月7日消息（余予）芝加哥量子交易所科學(xué)作家Meredith Fore近日發(fā)表文章。她表示，如果量子計(jì)算機(jī)可以通過量子網(wǎng)絡(luò)連接，那么它們可以促進(jìn)兩方之間完全安全的通信，或者結(jié)合計(jì)算能力來解決比一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)單獨(dú)解決的問題困難得多的問題。

以下為文章全文：

雖然量子計(jì)算機(jī)代表了計(jì)算領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，但它們無法像普通計(jì)算機(jī)那樣通過互聯(lián)網(wǎng)相互通信。如果量子計(jì)算機(jī)可以通過量子網(wǎng)絡(luò)連接，那么它們可以促進(jìn)兩方之間完全安全的通信或者結(jié)合計(jì)算能力來解決比一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)單獨(dú)解決的問題困難得多的問題。

在美國物理學(xué)會(huì)3月會(huì)議的一場(chǎng)邀請(qǐng)會(huì)議上，兩位芝加哥量子交易所的物理學(xué)家采取了不同的方法來解決實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地基量子網(wǎng)絡(luò)的核心障礙：節(jié)點(diǎn)之間的距離受到量子信號(hào)通過光纖傳播的距離的限制。

一種既能放大又能防止數(shù)據(jù)丟失的解決方案

芝加哥大學(xué)教授Liang Jiang專注于更受大家歡迎的解決方案：量子中繼器。量子中繼器將被放置在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間，以重新生成量子信號(hào)，使其可以傳播更遠(yuǎn)的距離。Liang Jiang表示，盡管“在這個(gè)方向上已經(jīng)取得了重大進(jìn)展”，但目前還沒有人展示出成功的量子中繼器。

除了重新生成信號(hào)外，量子中繼器還可以通過糾錯(cuò)來防止長距離的數(shù)據(jù)丟失。糾錯(cuò)代碼在藍(lán)牙和WiFi等傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中很常見，它們控制數(shù)據(jù)中自然發(fā)生的錯(cuò)誤，因?yàn)樾盘?hào)將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳送到另一個(gè)設(shè)備。

但由于量子態(tài)的敏感性，量子系統(tǒng)極易出錯(cuò)，因此糾錯(cuò)是量子技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)大而重要的研究領(lǐng)域。

“從理論的角度來看，有兩個(gè)重要的問題要問，”Liang Jiang表示，“首先，可以通過嘈雜的光纖通道傳輸?shù)淖畲罅孔有畔⒘渴嵌嗌?？其次，假設(shè)我們知道這個(gè)極限：我們可以通過良好的量子糾錯(cuò)代碼設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)它嗎？”

除了量子中繼器中的量子糾錯(cuò)策略及其預(yù)測(cè)效率之外，Jiang還分享了量子網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)應(yīng)用：量子數(shù)據(jù)中心 (QDC)，在量子網(wǎng)絡(luò)上的用戶可以訪問經(jīng)典數(shù)據(jù)庫以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。從數(shù)據(jù)庫中搜索經(jīng)典數(shù)據(jù)作為量子比特所必需的設(shè)備，被稱為量子隨機(jī)存儲(chǔ)器 (QRAM)，可能非常昂貴，但Jiang認(rèn)為QDC是一種解決方案。

“我們可能希望將QRAM用作量子服務(wù)器，通過量子網(wǎng)絡(luò)連接到用戶，”Jiang表示，“然后，所有個(gè)人用戶都可以通過量子網(wǎng)絡(luò)查詢數(shù)據(jù)庫，而無需在他們身邊配備QRAM。這可以分擔(dān)昂貴設(shè)備的成本。”

將量子網(wǎng)絡(luò)帶入空中或更遠(yuǎn)的地方

對(duì)于伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Bardeen物理學(xué)教授Paul Kwiat來說，光纖信號(hào)丟失問題的解決方案可能是通過無人機(jī)將量子網(wǎng)絡(luò)從地面帶到空中，甚至是通過衛(wèi)星送入太空。

“目前我們幾乎只有本地光纖網(wǎng)絡(luò)，很少有例外，”Kwiat表示，“我的愿景是希望實(shí)現(xiàn)更加多樣化的情況，我們?cè)诟鞣N平臺(tái)之間建立了聯(lián)系……使用衛(wèi)星，連接到空中車輛、無人機(jī)、卡車或船只。”他指出，信號(hào)在自由空間的損耗比通過光纖要慢得多，這意味著量子信號(hào)可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。

這種“移動(dòng)”量子網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)勢(shì)，其中節(jié)點(diǎn)易于重新定位。有些是科學(xué)的，比如進(jìn)行大規(guī)模量子傳感或者研究不同慣性框架中的量子現(xiàn)象，以檢驗(yàn)量子力學(xué)與相對(duì)論之間的關(guān)系。有些是更實(shí)用的：在沒有光纖連接的情況下，使用空中車輛作為量子通信的節(jié)點(diǎn)，比如在海上的海軍艦艇上。

太空中衛(wèi)星之間的量子網(wǎng)絡(luò)將允許進(jìn)行更多的基本量子力學(xué)測(cè)試，其距離和速度比地球上可能的要大，并且覆蓋了引力效應(yīng)變化的區(qū)域。

在過去一年里，美國宇航局資助了一個(gè)由美國領(lǐng)導(dǎo)的“空間糾纏和退火量子[MS1] 實(shí)驗(yàn)（SEAQUE）”項(xiàng)目，該項(xiàng)目將測(cè)試軌道上的量子通信技術(shù)。這將是商業(yè)空間站模塊上的第一個(gè)量子信息科學(xué)有效載荷：連接到國際空間站的Nanoracks Bishop Airlock。它也將是第一個(gè)飛行的“集成光波導(dǎo)源”，它比以前的類似量子實(shí)驗(yàn)更有效，因?yàn)闆]有需要定期重新排列的移動(dòng)部件。SEAQUE目前計(jì)劃于2023年春季推出。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的Kwiat小組負(fù)責(zé)SEAQUE的光學(xué)有效載荷和控制板；其他元素則由美國、加拿大和新加坡的機(jī)構(gòu)提供。

“我很興奮，因?yàn)檫@是一個(gè)三國的太空量子實(shí)驗(yàn)，”Kwiat表示，“這很有趣。”

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