量子互联网可以是超安全的非二进制网络的开始

今天，传统的互联网使一束相干的光子流沿光纤传输，逻辑上的1或0的速度约为光速的80%。明天，一对纠缠光子——每一个都被称为量子位——既为1，也为0(叠加)，几乎可以瞬间发送数据。这是“量子网络。”

代尔夫特大学使用的量子系统，在一个“超安全”的网络环境中将“用户”连接在一起。图片由自然

所谓量子互联网通过交换信息最大化协调纠缠和询问量子比特的状态。这个下一代的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，任何试图窃听通信信道的第三方都无法读取量子位。

但也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付诸实践，面临许多障碍。

量子互联网信道的挑战

在考虑量子计算机的多种应用时，同步和隐私是主要考虑的问题。任何需要时间校准的应用，例如卫星对地通信，都将受益于最大限度的协调。最简单地说，最大协调允许两个纠缠的计算机知道对方的确切状态参考。

然而，与该技术相关的几个挑战，包括:

• 缠绕的距离超过几百公里
• 在网络中将两个以上的用户连接在一起，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

最近三所大学的研究人员曾解决的最后三位：剑桥大学大学，普通大学，普通大学，普通大学的最后三个障碍。

三单元量子网络

在荷兰代尔夫特理工大学，研究人员已经成功创造了一个三向纠缠的网络通过在“记忆”元素中嵌入一个纠缠对，在三个“用户”之间。

代尔夫特大学的这项研究利用合成晶体结构中的氮原子创造了一种三方纠缠，创造了第一次纠缠的记忆。图片由自然

量子比特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”(即物理网络)时，这一点尤其正确。

剑桥大学的研究人员已经能够指导“云”中量子点的状态通过使用激光与插入量子结构中的电子通信。这使得自由漫游的粒子的混乱有序了，因为原子核会响应被激发的电子而移动。

激光调制器的原理图，通过控制云中单个电子的自旋，在10万个原子核上诱导“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米特·阿塔蒂说:“我们没有办法与云‘交谈’，云也没有办法与我们交谈。”“但我们可以与电子交流:我们可以像牧羊犬一样与它交流。”

量子就绪硬件开关

量子互联网的另一个问题是在一个量子网络上托管多个具有不同带宽要求的用户共享一个量子信道。普渡大学的研究人员正在寻求解决这个问题改变用户的频率分配来改变用户之间的纠缠率。

他们还对网络进行了“弹性网格”，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的光通道和总使用带宽。图片由阻塞性睡眠呼吸暂停综合症出版

普渡大学的ECE教授Andrew Weiner说:“我们展示了一种只用一块设备就能实现波长路由的方法——波长选择开关，原则上可以建立一个由12到20个用户组成的网络，甚至可能更多。”

第一个量子网络的协议

代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)卡弗里纳米科学研究所(Kavli Institute of Nanoscience)的研究人员解决早期关于量子网络协议是什么样的问题。

量子网络堆栈将与经典网络并行运行，通过增强的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的问题，研究人员研究了网络中某个点的中继器的概念。熟悉高速发送PCIe数据困难的工程师将经历数据失相干。

一个概念量子中继器，通过中途交换纠缠态克服了非克隆定理。图片由Arxiv

传统的电子中继器对传入的数据进行采样、放大，然后将二进制数据的副本重新广播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。但对量子粒子来说就不一样了。

通过在中继器上进行纠缠交换，光子的状态可以在不丢失数据和不克隆数据的情况下保持，这在量子领域是不可能的。

提出的能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可靠地在长距离高保真地发送量子位元，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单个光子以确保其到达目的地之前，破译光子“云”中沿网络传输的单个光子的状态。

也许还要再过几年，第一个分布式量子网络才会上线。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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