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应用原理  量子网络 将一个粒子的量子信息发向远处的另一个纠缠粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。一个粒子可以传递有限的信息，而亿万个粒子联手，就形成了量子网络。这种神奇的现象和我们生活中所说的“心灵感应”很类似，两个相距遥远的人不约而同地想去做同一件事，好像有一根无形的线绳牵着两个人。[1] 建造目的 全世界都希望做出量子计算机来，而建造量子网络的目的之一，就是通过量子网络达到构造量子计算机的目的。研究量子网络，做出量子计算机，并非为了淘汰电子计算机，而是为了应对普通计算机不能做到的情况。有了量子计算机，将使计算的概念焕然一新，并可解决包括高温超导体的理论问题等目前（截至2012年）不能解决的问题。 有了量子计算机后，能帮助我们知道这些理论是否正确，这是现有计算机永远不可能做的。 实际用途 量子并行计算 量子网络对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。 模拟量子系统 量子网络的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。 建立优点 从大角度来看，如果人类能够成功建立起量子网络，那么这里面就不会有任何的延迟。通过量子网络相互连接的量子计算机和量子服务器将应用量子纠缠实现无缝通讯。 从小的角度看，通过量子网络可以建立起一套无法被破译的安全系统，这将受到各国政府的热烈欢迎。 运算区别 在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子网络中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。 所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子网络可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充。 在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。但在实际系统中量子相干性很难保持。在量子网络中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。 面临问题  量子网络 例如，只要我们看一眼量子态的粒子（当然，它们太小了，我们的眼睛的分辨率达不到分辨它的水平，不过我们眼睛发送的光子却可以到达那里），它的状态就有可能被破坏了。所以，长期以来，量子网络只被当作科学幻想来看待。 2、在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。 到2011年为止，已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。[2] 研究进展 早期量子网络，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度，因此量子网络的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。 该领域最初面临的最大问题是如何保持脆弱的量子粒子的完好性，甚至只要我们看它一眼（当然你什么也看不到），光子就有可能将其破坏。量子数据传输的距离记录是中国团队创造的16千米，2012年年初这个数据就被他们刷新至97千米。 2012年9月，由世界各国科学家组成的团队创造了新的量子数据传输记录，让构建全球量子网络成为了可能。他们成功将一量子比特（quantum bit）从拉帕尔瓦（La Palma）传输到特纳利夫岛（Tenerife），创造了量子数据传输的距离之最：143千米，打破了之前由中国保持的97千米的记录。143千米这个数字已经接近了近地轨道卫星与地面之间的距离。也就是说，如果量子数据的传输距离能够达到这个标准，那么从理论上说我们就可以应用近地轨道卫星建立起一套量子网络。研究人员下一步的工作重点是发射一个能够收发量子的近地轨道卫星。[3] 相关概念 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。到2011年为止，世界上还没有真正意义上的全量子网络，而预计5年内建成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[1]。 参考资料 [1] 广州日报：科学家探索新技术 量子网络瞬间通信不延迟2012年09月22日[引用日期2012-09-23] [2] 搜狐：现有网络物理极限或可突破，2011年07月07日[引用日期2011-07-07] [3] 驱动之家：瞬间通信：量子网络即将成为现实？2012-09-10[引用日期2012-09-23] |
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