什么是量子網(wǎng)絡(luò)？ | 智能百科

什么是量子網(wǎng)絡(luò)？

基于量子物理學(xué)的量子網(wǎng)絡(luò)可提供安全、高速的通信。量子網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)包括脆弱性、成本和集成。

量子網(wǎng)絡(luò)是未來高速企業(yè)通信的基礎(chǔ)。

無縫量子網(wǎng)絡(luò)所需的技術(shù)必須部署在遠(yuǎn)距離的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，以實(shí)現(xiàn)超安全、可靠和快速的量子比特?cái)?shù)據(jù)傳輸。量子物理原理是量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

什么是量子網(wǎng)絡(luò)？

量子網(wǎng)絡(luò)與量子物理和通信直接相關(guān)。其物理基礎(chǔ)設(shè)施包括多個(gè)以量子位形式交換信息的量子處理器。量子網(wǎng)絡(luò)是在量子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(luò)協(xié)議和算法，在分布于遠(yuǎn)距離的多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以高度加密的方式交換信息。這些原理啟動(dòng)了量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以提供快速、可靠和安全的通信。

由于量子網(wǎng)絡(luò)是一種全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此提供商將其商業(yè)化可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文討論了量子網(wǎng)絡(luò)的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及與其實(shí)施相關(guān)的挑戰(zhàn)。

量子網(wǎng)絡(luò)的好處

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

應(yīng)用廣泛

在量子網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)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(duì)信息進(jìn)行編碼。這些量子位同時(shí)存在于多種狀態(tài)，即0、1或兩者，但在測(cè)量時(shí)由于波函數(shù)坍縮而發(fā)生變化。

光子能量驅(qū)動(dòng)大多數(shù)量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。雙粒子和波狀性質(zhì)提供了各種與量子相關(guān)的應(yīng)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(luò)可以部署多個(gè)節(jié)點(diǎn)來解決共同的問題。量子網(wǎng)絡(luò)需要高計(jì)算能力和速度來計(jì)算復(fù)雜問題。

例如，分布式量子計(jì)算是一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)集群，其中多個(gè)量子處理器連接起來共同解決復(fù)雜問題并執(zhí)行高速計(jì)算。量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(shè)備形成量子物聯(lián)網(wǎng)。

遠(yuǎn)距離通信

量子糾纏描述了量子位的長(zhǎng)距離傳輸。在量子網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)或多個(gè)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(yuǎn)的距離。

如果一個(gè)量子位的狀態(tài)在測(cè)量時(shí)發(fā)生變化，則另一個(gè)量子位會(huì)自動(dòng)發(fā)生變化。量子糾纏有時(shí)稱為量子隱形傳態(tài)，因?yàn)閷?shí)際的量子位不會(huì)通過通道傳輸?shù)铰酚善骱推渌W(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

傳輸可靠

TCP/IP模型描述了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸以及接收方的確認(rèn)。量子網(wǎng)絡(luò)消除了確認(rèn)的需要，因?yàn)榭梢灶A(yù)測(cè)交織的狀態(tài)。

量子中繼器部署在單個(gè)或多個(gè)位置，以增強(qiáng)量子網(wǎng)絡(luò)的可靠性、計(jì)算能力和范圍。換句話說，量子中繼器減少了退相干和信號(hào)損失的影響，以提供準(zhǔn)確的信息。

增強(qiáng)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(fù)制到另一個(gè)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(dú)立且相同的副本。

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

量子密碼學(xué)

量子網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了量子密碼學(xué)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(luò)上以量子位或偏振光子的形式共享密鑰。

在量子密碼學(xué)中，海森堡的不確定性原理指出，不可能同時(shí)測(cè)量粒子的速度和位置以實(shí)現(xiàn)超安全連接。發(fā)送方和接收方比較測(cè)量結(jié)果以消除錯(cuò)誤、檢測(cè)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(cuò)誤檢測(cè)和糾正

量子網(wǎng)絡(luò)可以通過量子錯(cuò)誤檢測(cè)和校正算法幫助實(shí)現(xiàn)高精度。許多糾錯(cuò)算法檢測(cè)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(duì)量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的黑客嘗試。一些糾錯(cuò)碼包括短程碼、玻色碼和位翻轉(zhuǎn)碼。

量子網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)

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

量子信息的脆弱性

量子信息本質(zhì)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(hào)丟失。網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人員可以在多個(gè)網(wǎng)段部署量子中繼器，以保持量子網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性。此外，量子運(yùn)算符需要在糾錯(cuò)過程中對(duì)量子位進(jìn)行操作。

復(fù)雜的操控

從企業(yè)的角度來看，無法復(fù)制量子態(tài)可能會(huì)限制許多常規(guī)應(yīng)用。在這些情況下，量子邏輯門操縱節(jié)點(diǎn)之間的量子信息以實(shí)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(gè)常見的誤解是量子通信比光速更快。然而，量子網(wǎng)絡(luò)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(luò)使用光纖進(jìn)行通信，就像傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)一樣。

可擴(kuò)展性問題

長(zhǎng)距離量子通信目前是假設(shè)的，因?yàn)榫哂性S多節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)使用短距離將其分開。量子網(wǎng)絡(luò)通常比經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)具有更少的處理器。量子處理器實(shí)際上可以在量子網(wǎng)絡(luò)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(luò)的實(shí)施和維護(hù)需要高成本的投資。量子網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件需要在技術(shù)、工程和成本方面進(jìn)行大量投資。高預(yù)算行業(yè)，如政府、深空研究和密碼項(xiàng)目，更適合量子網(wǎng)絡(luò)。

復(fù)雜的集成

量子網(wǎng)絡(luò)有混合網(wǎng)絡(luò)所需的自己的標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性。為了與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)融合，網(wǎng)絡(luò)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(luò)工作在不同的技術(shù)上，很難將它們結(jié)合起來。

量子網(wǎng)絡(luò)的未來

大型企業(yè)和組織對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)感興趣，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算和快速通信并解決復(fù)雜問題。

量子網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)年時(shí)間才能像當(dāng)前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一樣以可承受的價(jià)格進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)。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(gè)行業(yè)可以通過量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)快速通信和高性能計(jì)算。

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