量子互联网可以是超安全的非二进制网络的开始

今天，传统的互联网使得光子流通过光纤传输，在大约光速的80%的地方携带一个逻辑上的1或0。明天，一对纠缠光子——每一个都被称为量子位——都是1和0(叠加)，并在近乎瞬时的时间内发送数据。这是“量子网络。”

代尔夫特大学使用的量子系统，在“超安全”的网络环境中将“用户”连接在一起。图片由自然

所谓的量子互联网是通过最大化协调以及纠缠和对量子位的状态的质疑。下一代互联网被描述为由于纠缠本身的性质，“超安全”。一旦完全纠缠，任何试图窃听通信通道的第三方都无法读取量子位。

但正如有很多量子计算机成为现实的障碍在美国，世界各地的研究机构要将量子互联网带入生活，都面临着许多障碍。

量子互联网通道的挑战

在考虑量子计算机的多种应用时，同步性和隐私性是首要考虑的问题。任何需要时间校准的应用，例如卫星对地通信，都将从最大程度的协调中受益。用最简单的术语来说，最大的协调允许两个纠缠的计算机知道另一个的确切的状态参考。

然而，与该技术相关的一些挑战包括:

• 超过几百公里距离的纠缠
• 在网络中连接两个以上的用户，同时保持纠缠
• 保持单光子的相干控制
• 开发硬件以实际促进量子网络

最近，荷兰代尔夫特大学(Delft University)、剑桥大学(University of Cambridge)和普渡大学(Purdue University)的研究人员分别解决了这些障碍中的最后三个。

一个三单位的量子网络

荷兰代尔夫特理工大学的研究人员已经取得了成功创建了一个三路纠缠网络在三个“用户”之间嵌入一对纠缠在“记忆”元素。

代尔夫特大学(Delft University)的研究利用人造晶体结构中的氮原子创造了一种三方纠缠，从而创造了第一次纠缠的记忆。图片由自然

量子位被存储在物理介质中长达一分钟。这个先驱网络有潜力允许三个用户在量子力学定律保证的超安全环境中进行数据交换。

控制电子云中的单个电子

控制单个光子的状态或命运是一项艰巨的任务。当光子被释放到“野外”——一个物理网络时，情况尤其如此。

剑桥大学的研究人员已经能够引导“云”中的量子点的状态通过使用激光与插入到量子结构中的电子通信。这给自由漫游的粒子带来了秩序，因为原子核会随着被激发的电子而移动。

通过控制云中单个电子的自旋，激光调制器被用来在十万个原子核上诱导“有序混沌”。图片由自然

剑桥大学卡文迪什实验室的首席研究员Mete Atature说:“我们没有办法与云‘对话’，云也没有办法与我们对话。”“但我们可以与电子对话:我们可以像牧羊犬牧羊一样与它交流。”

一个量子就绪的硬件开关

量子互联网的另一个问题是在一个量子网络上托管多个用户，这些用户具有不同的带宽要求，共享一个量子通道。普渡大学的研究人员正试图通过改变用户的频率分配，以改变用户之间的纠缠率。

他们还对网络的“网格进行了调整”，就像今天的网络一样，在需要时分配额外的带宽，比如用于未来的流媒体。

自适应带宽网络交换机允许多个用户共享不同频率片和总使用带宽的光通道。图片由阻塞性睡眠呼吸暂停综合症出版

普渡大学欧洲经委会教授安德鲁·韦纳说:“我们展示了一种方法，只用一台设备就可以进行波长路由——波长选择性切换，原则上可以建立12到20个用户，甚至更多的网络。”

第一个量子网络协议

代尔夫特理工大学卡弗里纳米科学研究所的研究人员正在研究解决量子网络协议将会是什么样子的早期问题。

量子网络堆栈将与经典网络并行运行，通过增强密码学和同步来扩展现有网络的功能。图片由Arxiv

为了解决光子退相干和信号保真度的问题，研究人员在网络的某个点上研究了中继器的概念。熟悉高速发送PCIe数据困难的工程师将经历数据退相干。

一个概念上的量子中继器，通过中途交换纠缠态来克服无克隆定理。图片由Arxiv

传统的电子中继器采样传入的数据，放大它，并重新广播该二进制数据的副本到网络中的下一个节点。这对于在传统媒体中传输的数据很有效。然而，对于量子粒子来说就不一样了。

通过在中继器上执行纠缠交换在美国，光子的状态可以在不丢失数据的情况下保持，也不必复制数据，而这在量子域中是不可能的。

提出的能够进行量子通信的网络堆栈。图片由Arxiv

所有这些研究的最终目标是在长距离以高保真度可靠地发送量子位元，从而创建一个本地网络。

推进量子网络的下一步

下一步的研究是在通过交换设备处理光子以确保其到达目的地之前，破译沿着网络行进的光子“云”中的单个光子的状态。

第一个分布式量子网络上线可能还需要几年时间。奇怪的是，当这种情况发生时，人们可能会说系统同时在线和离线。

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