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量子网络编辑本段回目录

量子网络是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子网络。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。

  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,就形成量子网络。

  量子理论研究者很早就发现了开启量子通讯的钥匙——量子纠缠。量子纠缠描述了这样一个现象:两个微观粒子位于宇宙空间中的两边,无论相隔多远,只要这两个粒子彼此处于量子纠缠,则通过改变一个粒子的量子状态,就可以使非常遥远的另一个粒子状态也发生改变,信号超越了时空的阻隔,直接送达了另一个粒子那里。

  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。
  这种理论上的超过通讯方式激起了量子科学家们的雄心壮志,他们试图建立起比现在的互联网快千万倍的量子网络。

量子网络的历史和问题编辑本段回目录

 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。研究发现,能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么,是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢?问题的答案是:所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机,而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作,那么在量子力学中,它就可以用一个幺正变换来表示。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。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。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。除了进行并行计算外,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。
  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。遗憾的是,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。

  量子粒子是脆弱,一点风吹草动就会让它丢失信息。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。 

  迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子网络。但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算,方案并不少,问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前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。现在还很难说哪一种方案更有前景,只是量子点方案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。研究量子网络的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子网络使计算的概念焕然一新,这是量子网络与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子网络的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。

进展编辑本段回目录

美国的科学家

  美国的科学家已经利用一束强激光轰击一团铷原子,生成了具备这团铷原子量子态的单个光子,然后把这个光子传送到100米长的光缆,输送到另一团另一团铷原子中,生成了与原来的铷原子同样量子态的另一团铷原子,光子携带的量子态信息没有丝毫损失,从而实现了原子与光子的量子态传输。

南非夸祖鲁-纳塔尔大学

  南非夸祖鲁-纳塔尔大学量子技术中心的研究人员,在量子密码领域的光子加密技术应用研究方面取得重大进展,他们成功地将基于光子加密技术的计算机安全系统应用到南非德班市的一个小型网络中。

弗兰塞斯科·彼得鲁乔内

  负责此项研究的量子物理学家弗兰塞斯科·彼得鲁乔内介绍说,利用光子对数据进行加密,是一种绝对安全的信息传递方法。该方法背离现有的数学运算法则,与传统的信息传递方法大相径庭。它利用的是一种量子力学现象——量子纠缠,又称量子缠结,要想破译它的密码是非常困难的。而且,使用该技术的网络安全系统非常敏感,如果有人对两个正在通讯联络的人进行窃听或刺探干扰,通讯双方可以立即察觉到。

德班市

  作为该项目的资助方之一,德班市目前已将该技术应用到一个小型网络中,该网络由两个诊所、一个市政中心和一个消防站组成。这使德班成为南非第一个拥有量子网络的城市,同时这也是德班市建设“智能城市”计划的一部分。该市的管理者相信,量子信息和通讯技术不仅会促使市政当局转型为一个由高技术信息驱动的组织机构,而且会让德班成为未来技术的“孵化器”。

彼得鲁乔内

  彼得鲁乔内认为,理论必须应用到现实中。“智能城市”计划已经让众多的学生受益,因为它可以让学生有机会在现实环境中检验实验室中创造的技术。但要吸引更多的学生来研究量子物理,就必须有更多的发明,使量子技术能创造更多的就业机会。

量子网络引发第四代货币的产生?编辑本段回目录

近年来,奥地利物理学家安东·采林格(Anton Zeilinger)使纠缠光子从轨道运行卫星反弹,并使含有60个原子的球壳状碳分子存在于量子叠加态中——基本上,作为它们所有可能的位置和遍及局部时空的能态的涂片。现在,他希望用大数百倍的细菌来尝试相同的技术。与此同时,荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的汉斯·莫伊基(Hans Mooij)和MIT极限量子信息理论中心的领导人塞思·劳埃德(Seth Lloyd)一起,通过一个肉眼可见的超导环创建了一个远高于量子水平规模的量子态(当粒子或粒子系统叠合时产生),该超导环内的电子同时进行顺时针和逆时针运转,产生超电流,由此充当量子计算电路。

 物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)1981年提出了量子计算的概念,以开发原子、光子和基本粒子的信息处理潜能。到现在为止,该领域已经得到充分的发展,研究者不仅可以控制前所未有的物理实验效果,而且已经打算进行商业应用。

 

美国加州理工学院的研究人员通过使纠缠光子停在两团铯原子中,创建了量子网络的两个节点,而铯原子是被安置在一个超高空间系统中。暂时存储纠缠态为量子数据存储提供了一个理论基础,这可能会有助于开发各种应用程序,包括量子密码系统。

量子互联网和无法伪造的量子货币是量子技术两大令人感兴趣的应用,但在量子通信、计算和计量等技术可以实现这些潜能之前,量子网络必须解决传输和存储数据问题。美国加州理工学院(California Institute of Technology)的量子光学研究小组正在朝这个目标努力。该团队由杰夫·金布尔(H. Jeff Kimble)领导,他是一名物理学教授,曾领导1988年的研究工作,实现了一个光子的量子态——即,光子的自旋、能量等表现出的信息——第一次清晰地电子传输到另一个光子。如今,金布尔和他的团队已经证明了在网络中可以创建一种纠缠态的方法,这是一种允许量子进行电子传输的非局部关系,曾被爱因斯坦怀疑地斥为“远距离的幽灵般的行为”。

 类似于电子在如今计算机微信息处理机循环中传输数据的行为,在纠缠粒子间的量子态的电子传输任务将在量子网络中执行。金布尔研究小组中的研究员崔京洙(Kyung Soo Choi)表示,关于数据存储,他们进行的实验所解决的一个核心问题是:“如何把纠缠光线转换为物质的纠缠态并返回到光线中?”纠缠态是脆弱的,纠缠光线的网络需要中继设备,这与长距离光纤网络需要光电子中继设备来重新产生衰减信号的方式相似。因此,纠缠将需要生成并存储于一个更大的量子网络的组分子系统中。如今,金布尔和他的团队已经展示了针对这个问题的技术解决方法。

 加州理工学院的研究小组使用两团铯原子,可用激光影响它们的状态,使其在需要控制进入光子的速度时变成透明或不透明。然后研究人员分裂单个光子,将它们叠加在一起——也就是说,它们是相同量子波函数的一部分,因而发生纠缠——同时要确保它们沿着两条路径进入到两个铯团中。崔京洙解释说:“我们减慢光的速度,并通过停止控制激光使光停止在物质内部,这使得铯团变得透明,从而量子信息——纠缠光线——就存储到原子团中。通过重新激活控制激光,我们重新把光子加速到正常速度,恢复纠缠光束。”迄今为止,加州理工学院的研究人员已经存储了跨度为1微秒的物质的纠缠态。金布尔估计,他和他的团队可以把跨度扩展到10微秒。

金布尔具有典雅的德克萨斯绅士风范,因为我了解到,实验室主任在他离开后,发现他的日程表上有15项会议记录,因为他要在两个州的四个会议上去做演讲。这15项会议记录成为如今在检验和量化纠缠态领域的技术进步的教程。计量是量子力学的核心问题,因为任何一个粒子或系统存在于量子态中,直至达到另一个系统——不管是微小的如同飘离的空气分子或复杂得如同人类观察者——获取其信息从而破坏原来的状态。这是十分深奥很难理解的东西。除了讨论量子计量,金布尔做了一个容易理解的阐述:“我们社会的技术基础是信息贸易。在接下来的20年里,量子信息科学作为20年前还不存在的计算机科学和量子力学相结合的学科,将会迅速改变这种贸易形式。”

 金布尔展望的革新技术是大量子网络,效仿互联网但依赖于纠缠态。哪些固有的优势可以推动该网络的发展并被接受呢?

 大量的规模。量子网络已经建成了一个有限的规模。2004年,世界上第一个永久量子密码系统在美国马塞诸塞州剑桥市激活,连接了哈佛大学、波士顿大学,以及美国国防部高级研究计划局(DARPA)的承包商BBN科技公司(从前是大家所熟知的Bolt Beranek and Newman公司,该公司创建了原始的ARPA网络)。如今,瑞士公司id Quantique和美国公司MagiQ Technologies提供商业模块,利用光纤传输量子密匙,用把光子编码成位的方式,通过控制它们产生极性,超过了最高达到约100千米的限制距离。因为拦截这些光粒子的尝试会干扰它们的态并遭到窃取,所以这种量子密码系统提供了绝对的数据安全。

 此外,量子计算的前景是量子网络研究的初始动力。如果类似的量子计算可以实现(迄今为止,试验中已经使用了最多7个量子位,或是量子二进制数位),它有希望在很多重要领域超过传统的计算。作为MIT计算复杂性领域的专家,斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)引用1994年由MIT数学家彼得·肖尔(Peter Shor)发表的算法作为突破,通过证明量子计算可以在合理的计算时间内处理非常大量的数字,从而证明了量子计算可行的观点。由于该任务已经超过了传统计算机的计算能力,大多数公用密钥密码系统到目前为止建立在处理大量数字的基础上。但基于量子计算的密码分析很容易被破解。就像阿伦森所说的:“这就是为什么美国国家安全局对量子计算感兴趣的原因。”然而,量子密码系统可以提供数据安全,密码不易被破解,也不会被进行彻底的密码分析。

 除了确保数据安全,已经在金布尔的脑海中构架的量子中继器广域网,或称QWANs,将在一定程度上解决如今网络存在的延时问题,事实上,其几乎可以像光速一样瞬间到达。此外,指数对应可以赋予量子计算能力——用两个纠缠粒子或量子位,代表四个不同的值,四个量子位16个值,依此类推——应当适用于量子计算设备网络。金布尔说:“虽然会有最大规模可得到的单个量子计算单元的状态矢量空间,但通过把这些单元连接在一起形成完整的量子网络有可能超过这个规模。” 一个量子计算机的“状态矢量空间”是计算机可能存在的所有范围的潜在状态。当一个量子算法在运行时,这一计算过程将破坏状态矢量空间,并将计算机可能的状态范围缩小为单独一个:所给问题的正确答案。在量子计算机网络中,金布尔声称,每个设备的指数计算能力将成指数级增长。

 MIT的塞思·劳埃德已经为量子网络的设计方案提供了一些思路,他表示:“网络使用铯原子团是长距离传输量子信息的最有前途的技术之一。”然而原子团的方法相对而言比较庞大,而量子系统越大,计算的问题就越多。劳埃德说:“像超导环那样基于环路的方法在小空间里更能进行扩展,利用一个电路板上的大量潜在的量子位。”但此类系统不适用于通信,“金布尔和我使用单独原子以取代原子团。如果我们能移动原子团和单个离子以及离子阱之间的信息,这就是可扩展的量子技术。”根据劳埃德的思路,一个可行的方案似乎是用原子团进行通信,而像超导环或离子阱这种更局限性的可扩展的量子设备用于计算。

 所以,金布尔认为量子网络是可行的,量子网络的优势,如绝对的数据安全、无延时以及获得进一步的指数计算能力,在世界信息贸易中都是不可忽视的。

 一些量子信息技术的商业应用已经显而易见。有些股票交易者已经依赖计算机化的交易程序,即大家所知的高频交易(HFTs)。在某些日子,通过高频交易达到的交易量可以占到纽约证券交易所总交易量的一半以上。主流的贸易机构耗资数百万美元研发他们的算法,以分析市场数据和执行大量交易,其所根据的策略是复杂变化的,在获得某些数据后以微秒的速度买进,然后利用其他买入或卖出交易者的速度差,再以微秒的速度卖出。期货交易者使用近瞬时的量子网络,比其他不使用量子网络的人拥有明显的优势。

 其他的商业应用也有实现的可能。斯科特·阿伦森发表过一篇名为“量子复制保护和量子货币”的论文,他注意到量子态不能被复制因为任何的量度过程都会破坏它们,这“提高了使用量子态作为不可克隆信息的可能性”。开发利用这种可能性就无法回避一个事实,即量子态在度量和创建时会遭到破坏,首先(目的在于量子货币),不可克隆态可以被证明是可信的,其次(目的在于量子复制保护),不可克隆态将用于保护软件、DVD、CD以及其他应用。阿伦森证明,至少一种公开验证的量子货币和两种基于量子复制保护的体系在理论上是可行的,这也是有史以来第一次,增强了绝对无法伪造的货币以及不可逾越的数字版权保护的可能性。

 第一代货币随着近3000年前吕底亚王国(Lydia)金属铸币的发明而产生,第二代货币随着意大利文艺复兴时期的银行发行交易纸钞而产生,第三代货币随着电子货币和现代虚拟经济而产生。假如像金布尔和阿伦森这样的科学家是正确的,量子网络可能很快会引发新一代货币的产生。

 作者 马克·威廉姆斯是MIT《科技创业》杂志的特约编辑。


参考文献编辑本段回目录

http://mittrchinese.com/single.php?p=5056

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