量子網(wǎng)絡解決方案：通過地面和空中進行網(wǎng)絡連接

北京時間5月7日消息（余予）芝加哥量子交易所科學作家Meredith Fore近日發(fā)表文章。她表示，如果量子計算機可以通過量子網(wǎng)絡連接，那么它們可以促進兩方之間完全安全的通信，或者結(jié)合計算能力來解決比一臺量子計算機單獨解決的問題困難得多的問題。

以下為文章全文：

雖然量子計算機代表了計算領(lǐng)域的一場革命，但它們無法像普通計算機那樣通過互聯(lián)網(wǎng)相互通信。如果量子計算機可以通過量子網(wǎng)絡連接，那么它們可以促進兩方之間完全安全的通信或者結(jié)合計算能力來解決比一臺量子計算機單獨解決的問題困難得多的問題。

在美國物理學會3月會議的一場邀請會議上，兩位芝加哥量子交易所的物理學家采取了不同的方法來解決實現(xiàn)大規(guī)模地基量子網(wǎng)絡的核心障礙：節(jié)點之間的距離受到量子信號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)絡的節(jié)點之間，以重新生成量子信號，使其可以傳播更遠的距離。Liang Jiang表示，盡管“在這個方向上已經(jīng)取得了重大進展”，但目前還沒有人展示出成功的量子中繼器。

除了重新生成信號外，量子中繼器還可以通過糾錯來防止長距離的數(shù)據(jù)丟失。糾錯代碼在藍牙和WiFi等傳統(tǒng)的網(wǎng)絡中很常見，它們控制數(shù)據(jù)中自然發(fā)生的錯誤，因為信號將數(shù)據(jù)從一個設備傳送到另一個設備。

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

“從理論的角度來看，有兩個重要的問題要問，”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，假設我們知道這個極限：我們可以通過良好的量子糾錯代碼設計來實現(xiàn)它嗎？”

除了量子中繼器中的量子糾錯策略及其預測效率之外，Jiang還分享了量子網(wǎng)絡的另一個應用：量子數(shù)據(jù)中心 (QDC)，在量子網(wǎng)絡上的用戶可以訪問經(jīng)典數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)量子計算。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備，被稱為量子隨機存儲器 (QRAM)，可能非常昂貴，但Jiang認為QDC是一種解決方案。

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

將量子網(wǎng)絡帶入空中或更遠的地方

對于伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Bardeen物理學教授Paul Kwiat來說，光纖信號丟失問題的解決方案可能是通過無人機將量子網(wǎng)絡從地面帶到空中，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，很少有例外，”Kwiat表示，“我的愿景是希望實現(xiàn)更加多樣化的情況，我們在各種平臺之間建立了聯(lián)系……使用衛(wèi)星，連接到空中車輛、無人機、卡車或船只。”他指出，信號在自由空間的損耗比通過光纖要慢得多，這意味著量子信號可以傳輸更遠的距離。

這種“移動”量子網(wǎng)絡有很多優(yōu)勢，其中節(jié)點易于重新定位。有些是科學的，比如進行大規(guī)模量子傳感或者研究不同慣性框架中的量子現(xiàn)象，以檢驗量子力學與相對論之間的關(guān)系。有些是更實用的：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，比如在海上的海軍艦艇上。

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

在過去一年里，美國宇航局資助了一個由美國領(lǐng)導的“空間糾纏和退火量子[MS1] 實驗（SEAQUE）”項目，該項目將測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量子信息科學有效載荷：連接到國際空間站的Nanoracks Bishop Airlock。它也將是第一個飛行的“集成光波導源”，它比以前的類似量子實驗更有效，因為沒有需要定期重新排列的移動部件。SEAQUE目前計劃于2023年春季推出。

領(lǐng)導該項目的Kwiat小組負責SEAQUE的光學有效載荷和控制板；其他元素則由美國、加拿大和新加坡的機構(gòu)提供。

“我很興奮，因為這是一個三國的太空量子實驗，”Kwiat表示，“這很有趣。”

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