了解量子技術(shù)如何工作

量子技術(shù)是一個(gè)領(lǐng)域，一旦出現(xiàn)，可能會(huì)改變?cè)S多基于技術(shù)的應(yīng)用程序的面貌。盡管量子技術(shù)還不成熟，但科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)法制造出可以使用量子網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，盡管在低溫下傳輸時(shí)間僅為納秒級(jí)。然而，正在取得進(jìn)展——半導(dǎo)體目前作為基本構(gòu)建塊處于領(lǐng)先地位——如果你看看過(guò)去幾十年經(jīng)典計(jì)算技術(shù)取得的巨大進(jìn)步，那么量子技術(shù)可能并不像許多人想象的那么遙遠(yuǎn).

量子技術(shù)的價(jià)值有很多，特別是對(duì)于任何使用計(jì)算機(jī)芯片的東西，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)執(zhí)行更多的操作——而且速度比現(xiàn)代計(jì)算機(jī)更快——同時(shí)提供一個(gè)額外的加密層，這比現(xiàn)代計(jì)算機(jī)要多得多。在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)世界中需要。

量子比特

任何量子技術(shù)的背后都是量子位——也稱為量子位——它與經(jīng)典計(jì)算位相似，但又截然不同。量子位是量子網(wǎng)絡(luò)的基石，就像經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典位一樣。經(jīng)典計(jì)算位——被許多人稱為二進(jìn)制位——可以采用兩種形式之一。它們是 1 和 0。量子位也可以采用 1 或 0 的形式，但還有第三種形式是經(jīng)典位不可能的，它是一種可疊加的形式，可以采用 1 或 0 的形式0. 因?yàn)榭莎B加形式可以采用任何一種形式，所以可以同時(shí)在兩個(gè)值中執(zhí)行操作——這在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中是不可能的。這是量子網(wǎng)絡(luò)能夠以比經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)高得多的速度處理多個(gè)操作的根本原因之一。

形成量子網(wǎng)絡(luò)

在這三種形式中的每一種中，每個(gè)量子位都可以擁有無(wú)限值。這導(dǎo)致了狀態(tài)的連續(xù)統(tǒng)一體，其中每個(gè)量子位都變成一個(gè)并且彼此無(wú)法區(qū)分。盡管單個(gè)量子位使用電子自旋和光子偏振來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但它們可能會(huì)糾纏在一起，這使得它們充當(dāng)一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。這意味著每個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)都被描述為一個(gè)完整的系統(tǒng)，而不是一系列的量子比特。

量子糾纏是量子網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要現(xiàn)象。電子、光子、原子和分子都可以糾纏在這些網(wǎng)絡(luò)中。量子網(wǎng)絡(luò)中的糾纏也會(huì)延伸很遠(yuǎn)的距離。當(dāng)測(cè)量量子網(wǎng)絡(luò)的一部分時(shí)，可以推斷出該特定網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)糾纏量子位的屬性作為確定值。這使得可以建立許多網(wǎng)絡(luò)，所有網(wǎng)絡(luò)都具有不同的值和屬性，但單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有量子位共享相同的信息。

量子隱形傳態(tài)是另一種使量子技術(shù)發(fā)揮作用的現(xiàn)象，在本質(zhì)上類(lèi)似于量子糾纏。量子隱形傳態(tài)是這樣一種過(guò)程，在該過(guò)程中，量子比特中保存的數(shù)據(jù)和/或信息——通過(guò)向上或向下旋轉(zhuǎn)的電子，以及通過(guò)垂直或水平方向的極化光子——從一個(gè)位置傳輸?shù)搅硪粋€(gè)位置，而無(wú)需傳輸量子比特本身。

大多數(shù)量子比特都糾纏在這些網(wǎng)絡(luò)中；然而，如果懷疑它們沒(méi)有糾纏在一起，可以使用巧合相關(guān)性來(lái)測(cè)試它們。巧合相關(guān)假設(shè)糾纏網(wǎng)絡(luò)一次只能發(fā)射一個(gè)光子。您可以使用多個(gè)光電探測(cè)器來(lái)查看單個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射了多少光子。如果在任何時(shí)候記錄了不止一個(gè)光子，那么您可以假設(shè)量子網(wǎng)絡(luò)不是單光子系統(tǒng)，因此不糾纏。

物理基礎(chǔ)設(shè)施

構(gòu)成量子比特的材料是建立量子網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。量子系統(tǒng)是通過(guò)操縱物理材料形成的，因此用于構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的材料的性質(zhì)和特性是主要考慮因素。對(duì)于任何被視為量子技術(shù)基石的材料，它都需要擁有長(zhǎng)壽命的自旋態(tài)，它可以控制這種狀態(tài)，并且能夠運(yùn)行并行量子位網(wǎng)絡(luò)。

許多物理部分也用于設(shè)計(jì)量子網(wǎng)絡(luò)。量子系統(tǒng)所需的關(guān)鍵特性之一是在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間布置互連的通信線路。就像在經(jīng)典計(jì)算中一樣，這些通信線路在端節(jié)點(diǎn)之間運(yùn)行。這些節(jié)點(diǎn)代表單個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)中保存的信息，這對(duì)于更大和/或復(fù)雜的量子網(wǎng)絡(luò)變得更加重要，因?yàn)樵诹孔酉到y(tǒng)中保存著許多不同類(lèi)型的信息。這些終端節(jié)點(diǎn)可以采用多種形式，盡管目前最流行的選擇是：

分束器

光電探測(cè)器

電信激光器

量子邏輯門(mén)

離子阱

如果量子網(wǎng)絡(luò)要正常運(yùn)行，另外兩個(gè)物理組件至關(guān)重要。這些是通信線路和量子中繼器。物理通信線路目前主要有兩種形式，即光纖網(wǎng)絡(luò)和自由空間網(wǎng)絡(luò)，兩者的工作方式不同。由光纖電纜制成的物理通信線路通過(guò)衰減電信激光器來(lái)發(fā)送單個(gè)光子，光子的路徑在被光電探測(cè)器檢測(cè)和接收之前由一系列干涉儀和分束器控制。另一方面，自由空間網(wǎng)絡(luò)依賴于通信路徑兩端之間的視線。就目前而言，兩者都可以遠(yuǎn)距離使用，但自由空間網(wǎng)絡(luò)受到的干擾更少，傳輸速率更高，并且比光纖網(wǎng)絡(luò)更快。

另一個(gè)重要的組件是中繼器，它確保量子網(wǎng)絡(luò)不會(huì)丟失信號(hào)或因退相干而受到損害——退相干是由于環(huán)境噪聲造成的信息丟失。這在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中是一個(gè)直接的過(guò)程，因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器只是簡(jiǎn)單地增強(qiáng)信號(hào)。對(duì)于量子網(wǎng)絡(luò)，這要棘手得多。量子網(wǎng)絡(luò)需要采用一系列可信中繼器、量子中繼器、糾錯(cuò)器和糾纏凈化機(jī)制來(lái)測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施，保持量子比特糾纏，檢測(cè)任何短程通信錯(cuò)誤，并最大限度地減少退相干程度網(wǎng)絡(luò)。

添加額外的加密層

可以通過(guò)量子密鑰分發(fā)將額外的安全層合并到量子網(wǎng)絡(luò)中，量子密鑰分發(fā)利用量子力學(xué)原理來(lái)執(zhí)行加密操作。當(dāng)兩個(gè)人通過(guò)量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，或者數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方時(shí)，這將是一個(gè)特別有用的工具。加密過(guò)程將利用隨機(jī)偏振的光子來(lái)傳輸隨機(jī)數(shù)序列。然后，這些序列充當(dāng)密碼系統(tǒng)中的密鑰。這些密碼系統(tǒng)背后的理論是，它們將在兩個(gè)不同的通信點(diǎn)之間使用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)——一個(gè)經(jīng)典通道和一個(gè)量子通道，這兩個(gè)通道都扮演著特定的角色。經(jīng)典通道用于執(zhí)行經(jīng)典操作，是一種查看是否有人試圖侵入網(wǎng)絡(luò)的方式。然而，包含數(shù)據(jù)的量子位將通過(guò)量子通道發(fā)送，這意味著經(jīng)典系統(tǒng)可以被黑客攻擊，但黑客不會(huì)獲得任何信息——因?yàn)樵撏ǖ乐胁淮嬖谌魏涡畔ⅰ＿@些系統(tǒng)能夠判斷網(wǎng)絡(luò)是否被黑客入侵的方式取決于信號(hào)的相關(guān)性。經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)是高度相關(guān)的，如果通道中的源和接收者之間出現(xiàn)任何缺陷，那么系統(tǒng)就會(huì)知道是否有人試圖進(jìn)行黑客攻擊。

結(jié)論

盡管在日常系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)可能還需要一段時(shí)間，但這些技術(shù)具有徹底改變計(jì)算和通信空間的潛力。量子網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)整體并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰εc經(jīng)典系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)勢(shì)，其中包括更快的數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型的潛力、同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作的能力以及高度加密的數(shù)據(jù)通信通道。

審核編輯：湯梓紅