量子网络

2024年1月8日发(作者：珍珠鸟课件)

量子概念:一个物理量如果有最小的单元而不可连续的分割，我们就说这个物理量是量子化的，并把最小的单元称为量子。

量子网络:就是量子版的互联网。基本上就是要复制我们现在所有的互联网的结构，比如说现在互联网，基本上可以想到，是有很多的计算机，那么彼此之间是能够用网络进行互相通讯。所以在一个量子版网络里面，基本上就是需要有很多的量子计算机，将这些量子计算机，用网络连接起来，彼此之间可以传递量子信息。这就是量子互联网的一个观念。

量子比特:基本上，可以这样想，我们现在在互联网领域、计算机里，所有的运算，都是用比特来表示，比特就是一个0或者是一个1。现在如果说，有一天发现了有一种物质，具有一种特别性，就是有一点像比特，但是这种物质比0和1具有更多别的性质。现在的问题是，有没有方法能够运用它，会不会比现在的计算机和网络更加快，更加有效。这个就是量子比特的观念。

交叉信息：现在变成一个非常大的科学，这牵扯到的科学，搜索来讲，网络社团来讲，所牵扯到的是计算机要和商业、社会学；同时，生物网络等，都有很多的学科要交叉。要有一个好的方法能够使学科交叉。但是，在美国，大家觉得是非常灵活的一个大学机制，但还没有一个交叉信息研究院，因为大家不愿意将交叉的信息放到别的单位当中去。

全量子网络:指由量子传输通道和量子结点组成的复杂信息网络。每个量子结点有一定的信息存储和处理功能，单个量子结点构成一个小型的量子计算机，而量子通道则连接不同小型量子计算机。不同于现有互联网，全量子网络应用了量子物理特性，可突破现有网络物理极限，具有更强信息传输和处理能力。5年后建成后的全量子网络雏形光纤通信距离将达到150公里，存储速度在1至2秒之间。

量子信息:是量子力学与信息科学相融合的新兴交叉学科，为信息科学的发展开拓新的原理和方法，已成为世界各国战略竞争的焦点之一。中国的全量子网络项目系973计划重大科学问题导向项目，于去年年底获批。由于该项目所在的实验室也是全国唯一的该类别实验室，因此该网络建成后将是中国首个全量子网络。

量子密码：是一种截然不同的加密方法，主要利用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。任何想测算和破译密钥的人，都会因改变量子状态而得到无意义的信息，而信息合法接收者也可以从量子态的改变而知道密钥曾被截获过。从理论上来说，用量子密码加密的通信不可能被窃听，安全程度极高。量子密钥由量子力学的物理原理保证密钥分配的绝对安全，可以对窃听行为进行检测，另外，信息加载在光子上，同时也便于与现有光网络集成。

量子纠缠（quantum entanglement）：又译量子缠结，是一种量子力学现象，其定义上描述复合系统（具有两个以上的成员系统）之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积（tensor product）。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。

所谓香浓理论：是指贝尔实验室的香浓在1940年奠定的经典信息论的基础。香浓理论解决了任何通信信道的理论容量，即是说沿着通信信道能够可靠传送最大数量信息，并阐述了有

效传送信息的压缩技术。但是，香浓理论只应用于经典信息论。量子缠结信息的出现，使香浓理论面临新问题，要求香浓理论的新突破，为量子互联网的发展开辟道路。

在经典信息理论中，信息量的基本单位是比特（bit），一个比特是给出经典二值系统一个取值的信息量。例入{0,1}

在量子信息理论中，量子信息的基本单位是量子比特（qubit）。一个qubit是一个双态量子系统，即两个线性独立的态，常记为：|0>和|1> 。以这两个独立态为基矢，构成一个二维复矢量空间，即二维Hilbert空间。一个量子比特可以有4个量子态。（比经典比特多2个）

目前量子位的物理载体就是光子，|R>:右圆极化偏振光，|L>：左圆极化偏振光。

量子通信技术就是利用了量子的纠缠特性进行量子比特收发的通信技术。

(1)量子信息奇特的脆弱性：建立量子Internet面临的一个问题是量子粒子的脆弱性，容易丢失信息，也就是说，只要能看到量子粒子，它就有了被破坏的可能性。这个问题不仅涉及能够存储的信息数量，而且涉及能够检索的信息数量。解决这个问题的办法是测量量子，通过测量，掌握量子的变化特性。

(2)量子缠结信息古怪的特性：经典信息论是0和1组成的序列，通过改变导线上的电压可以实现这种序列编码。在一定的电压电平之上是1，反之则是0。然而，量子粒子(如光子)中的部分信息的编码则具有完全不同的特点。光子在同一时间有两种或多种存在状态。例如，能够将光子的电场加以滤波，这样它就在一个特定的平面产生极化振荡。当振荡平面变成垂直极化时，此平面称为0，当振荡平面变成水平极化时，此平面称为1。然而，由于“量子叠加”，光子可能同时垂直和水平极化，可能同时为0和1。

但是，缠结使得这一切都发生了改变。缠结粒子的奇妙之处在于测量一对粒子中的一个，便能确定另一个的测量结果，而不管这两个粒子相距多远。这种在时间和空间内魔术般地连接两点，充分说明了缠结信息的含意，也充分的意味着缠结将会给未来的网络通信带来巨大的变化。

应用：

全量子网络在高温超导、信息安全、分布式量子计算和新材料量子仿真等领域均有重要应用价值。

在量子世界当中，告诉我们一个好消息，实际上如果有非常精细，非常高级的一种仪器的话，可以探讨两条路同时走。这个就是量子世界有这个可能性，可以做一个同时的搜索。

这种力量是一种惊人的计算力量。所以，做量子信息研究的人，基本的精神，有没有方法能够把这些能量、计算力量从原子里面释放出来。

这种量子网络，可以有简单的方法，全部都是用光子。但是全光子的网络，是用光子来做这个网络，就有一个问题，很远的网络做不了，要真正做的话，就需要有更复杂的科技，就是把光子和物子结合起来，这个是大家现在觉得最有希望的科技。就是用离子井的方法，就是用离子做存储。这里有两个离子，彼此之间距离非常近，这个就可以拿来存储量子比特。

但要将量子密码应用于网络通信，国际学术界面临两大难题。其一是量子密码系统的稳定性问题，即要经受得住商用通信网络环境下的各种干扰。２００４年，郭光灿领导的研究小组在北京和天津之间成功实现了１２５公里光纤的点对点的量子密钥分配，解决了量子密码系统的稳定性问题。

另外一个难题则是，在量子信息不能测量、测量就会被破坏的前提下，网络在传输中如何自动找到特定的路径，将信息完整准确地传送给对方。为解决这个难题，郭光灿领导的研究小组巧妙利用波分复用技术，设计出国际上第一个量子路由器，解决了量子信息自动寻址难题，使量子网络中任意一个用户都能自由选定网内任意用户与其实现量子密码通信。

未来的应用前景主要有：

1、实现不可解密码通信

量子密码的安全性由量子力学原理所保证。任何对量子态的测量都会干扰量子态本身。量子不可克隆定力确保窃听者不会成功。

2、实现超高速通信

由于传播单位为量子，因此理论上可以实现接近无限告诉的数据量传输，与目前利用光的波动性的现行光通信相比，由于所消耗的功率降低可以应用到卫星通信等领域。现有的光通信技术是根据光的强弱用0和1表示数字信号，而量子通信则是用光子承载信息，通过光纤传输出去，其传输量将比现在的光通信技术在光纤的传输量上增加上千万倍。

3、量子因特网

量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器，它可以同时实现量子信息的传输和处理，相比于现在的经典因特网，量子因特网具有安全保密特性，可实现多端的分布计算，有效降低通信复杂度。