最近的突破性實(shí)驗(yàn)成果只是量子互聯(lián)網(wǎng)加速發(fā)展階段的最新工作進(jìn)展。

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6月初，西班牙和中國(guó)的研究人員同時(shí)發(fā)表了兩項(xiàng)獨(dú)立的量子中繼器開(kāi)發(fā)突破論文，這似乎是一個(gè)令人驚訝的巧合。然而，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均標(biāo)志著全球加速向量子互聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽的最新成果。

究竟什么是量子互聯(lián)網(wǎng)糾纏：量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)資源

經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)將比特（bit）從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗?，而量子互?lián)網(wǎng)則分發(fā)糾纏。糾纏是一種量子現(xiàn)象，可以將量子位/量子比特遠(yuǎn)距離交織在一起。分發(fā)量子糾纏服務(wù) (EaaS) 的能力是量子互聯(lián)網(wǎng)的核心。

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雖然沒(méi)有與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)直接類(lèi)比，但 EaaS 代表了量子網(wǎng)絡(luò) (QN) 提供的基本服務(wù)，就像由 TCP/IP 定義當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)提供的核心服務(wù)一樣。EaaS 使用量子中繼器網(wǎng)絡(luò)將量子網(wǎng)絡(luò)用戶與長(zhǎng)距離的糾纏量子位連接起來(lái)。

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借助 EaaS，在連接到量子互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的應(yīng)用程序能夠按需請(qǐng)求糾纏。EaaS 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)在節(jié)點(diǎn)之間分布成對(duì)的糾纏光子來(lái)建立糾纏。一旦建立，糾纏將允許通信交換而無(wú)需物理傳輸。

為什么我們需要量子互聯(lián)網(wǎng)？實(shí)現(xiàn)不可破解通信的承諾

這種在 EaaS 網(wǎng)絡(luò)上傳送信息的能力，無(wú)需物理傳輸就能使量子網(wǎng)絡(luò)“無(wú)法破解”。對(duì)于傳統(tǒng)的威脅，如竊聽(tīng)或“中間人”攻擊，根據(jù)物理基本定律不可能做到。當(dāng)我們構(gòu)建了更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，今天傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，即使加密了，也可能在未來(lái)某個(gè)時(shí)期被黑客入侵，解決方案就是開(kāi)發(fā)一種長(zhǎng)期、且能保證量子安全的一種安全結(jié)構(gòu)，例如 EaaS 網(wǎng)絡(luò)。

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值得注意的是，EaaS 網(wǎng)絡(luò)超越了現(xiàn)有的量子密鑰分發(fā) (QKD) 網(wǎng)絡(luò)。今天的 QKD 網(wǎng)絡(luò)只有單一用途，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于支持量子密鑰的分發(fā)。EaaS 網(wǎng)絡(luò)提供糾纏服務(wù)，可以作為一種資源被各種應(yīng)用程序使用。此外，EaaS 網(wǎng)絡(luò)使用隱形傳態(tài)來(lái)傳輸量子位，還能提供額外的安全層。最后，EaaS 網(wǎng)絡(luò)支持比QKD網(wǎng)絡(luò)更通用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和更遠(yuǎn)的距離傳播，且不會(huì)影響其安全性。為了支持遠(yuǎn)距離通信，QKD網(wǎng)絡(luò)依賴于受信任的節(jié)點(diǎn)，如果網(wǎng)絡(luò)由第三方（例如服務(wù)提供商）管理，這可能會(huì)危及安全性。EaaS 網(wǎng)絡(luò)使用量子中繼器建立直接糾纏，這意味著網(wǎng)絡(luò)用戶不需要依賴網(wǎng)絡(luò)提供商。

通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行高性能計(jì)算

EaaS通過(guò)將許多小型量子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)來(lái)解決更大的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的分布式量子計(jì)算。例如，使用 EaaS 聯(lián)網(wǎng)量子計(jì)算機(jī)可以將 10 臺(tái) 50 量子比特的量子計(jì)算機(jī)變成一臺(tái) 500 量子比特的機(jī)器。通過(guò)這種方式，量子互聯(lián)網(wǎng)將推動(dòng)高性能計(jì)算 (HPC) 的革命，有可能在人工智能、醫(yī)學(xué)、材料、物流等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

為何量子中繼器對(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)很重要？量子中繼器：積木

為了通過(guò)量子互聯(lián)網(wǎng)在全球范圍內(nèi)分發(fā)EaaS，我們需要實(shí)用的量子中繼器。在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中，比特沿著光纖電纜傳輸，隨著信號(hào)被吸收，長(zhǎng)距離傳輸開(kāi)始失去可靠性。所以在節(jié)點(diǎn)之間插入中繼器以測(cè)量從一側(cè)傳入的信號(hào)，復(fù)制后以更高的功率將其重新傳輸?shù)搅硪粋?cè)，我們就可以在很長(zhǎng)的距離內(nèi)可靠地傳輸信息。雖然“損失”也是量子網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)問(wèn)題，但由于在物理學(xué)里也無(wú)法以同樣的方式解決：量子信息不能在不被破壞的情況下被復(fù)制，同時(shí)，這也被稱(chēng)為不可克隆定理。

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量子中繼器是基于糾纏交換的概念，使用隱形傳態(tài)通過(guò)本地連接的中繼器鏈創(chuàng)建長(zhǎng)距離糾纏，然后將一系列短程糾纏轉(zhuǎn)換為單個(gè)長(zhǎng)程連接。

最近量子中繼器研究有何“突破”？實(shí)用的量子中繼器

6月份，量子中繼器的發(fā)展取得了飛躍，當(dāng)時(shí)有兩組研究人員在實(shí)用量子中繼器方面分別取得了突破。目前為止，實(shí)用的量子中繼器已被證明難以捉摸。在最近的出版物中，這兩組研究人員展示了可能落地實(shí)際應(yīng)用的量子中繼器新平臺(tái)。

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僅僅產(chǎn)生糾纏是不夠的。量子中繼器還需要以高速率、與現(xiàn)有電信基礎(chǔ)設(shè)施兼容的方式，并延長(zhǎng)量子位存儲(chǔ)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)最近的這兩項(xiàng)進(jìn)展，該領(lǐng)域向?qū)嵱眯土孔又欣^器又邁進(jìn)了一步，而量子中繼器也是搭建量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵要素。

一場(chǎng)全球競(jìng)賽

這兩項(xiàng)突破性實(shí)驗(yàn)只是量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段的最新工作進(jìn)展。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)速度很快，2020 年全球范圍內(nèi)都取得了多項(xiàng)進(jìn)展：中國(guó)研究人員使用衛(wèi)星演示了1000公里的安全量子網(wǎng)絡(luò)；包括IonQ和Rigetti在內(nèi)的量子計(jì)算公司宣布了設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的計(jì)劃；荷蘭研究人員發(fā)布了基于量子糾纏交換的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，最近，東芝發(fā)布了超過(guò)600公里光纖的安全量子鏈接。

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由于政府們爭(zhēng)相想要成為第一個(gè)開(kāi)發(fā)量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的國(guó)家，就此推動(dòng)了一波高漲的熱情。美國(guó)參議院最近通過(guò)一項(xiàng)規(guī)模高達(dá)2500億美元的研究資助法案《創(chuàng)新與競(jìng)爭(zhēng)法案》(Innovation & Competition Act），該法案不僅包括對(duì)量子技術(shù)的資助，還明確了要在量子互聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)方面超越中國(guó)。世界各國(guó)政府都保持著類(lèi)似的緊迫感來(lái)發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)。

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當(dāng)前，建立量子互聯(lián)網(wǎng)的競(jìng)賽已經(jīng)成為大眾的焦點(diǎn)，因?yàn)樵摷夹g(shù)已達(dá)到部署第一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)備水平。不可破解的通信密鑰和可擴(kuò)展的量子計(jì)算等應(yīng)用前景吸引了政府和商業(yè)圈的高度興趣。雖然還有很多工作要做，但量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的發(fā)展速度比我這30年職業(yè)生涯中目睹的任何新技術(shù)發(fā)展都要快。

吉姆·里科塔（Jim Ricotta）

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吉姆，獲康奈爾大學(xué)的電氣工程本科學(xué)位和哈佛大學(xué)的?MBA 學(xué)位，因開(kāi)發(fā)Avid Technology的數(shù)字視頻編輯系統(tǒng)方面的杰出工程成就而獲得艾美獎(jiǎng)。他還是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的初創(chuàng)公司?CEO、董事會(huì)成員和財(cái)富500強(qiáng)部門(mén)總經(jīng)理。

在加入阿里羅（Aliro）之前，他是五家風(fēng)險(xiǎn)投資支持的公司首席執(zhí)行官，這些公司的退出金額超過(guò)10億美元。吉姆在各個(gè)階段籌集了風(fēng)險(xiǎn)投資、招募和領(lǐng)導(dǎo)管理團(tuán)隊(duì)，將產(chǎn)品和服務(wù)推向市場(chǎng)，以此獲客并增加收入。他在新領(lǐng)域推出了公司和產(chǎn)品線，并以10億美元的價(jià)格成功地將新興網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)出售給了思科和IBM。

發(fā)布作者：吉姆·里科塔

編譯：慕一

編輯：王珩

注：本文編譯自“The Quantum Daily”，文章中的信息或所表述的觀點(diǎn)意見(jiàn)，均不代表量子前哨同意或支持。