量子網路

量子網路應用的原理是量子糾纏（quantum entanglement）。量子糾纏描述了這樣一個現象：兩個彼此處於量子糾纏微觀粒子無論距離多遠，即使一個在太陽系另一個在幾十萬光年外的位置星雲，只要這兩個粒子彼此處於量子糾纏，則通過改變一個粒子的量子狀態，就可以使另一個粒子狀態也發生改變。

將一個粒子的量子信息發向遠處的另一個糾纏粒子，該粒子在接收到這些信息后，會成為原粒子的複製品。一個粒子可以傳遞有限的信息，而億萬個粒子聯手，就形成了量子網路。這種神奇的現象和我們生活中所說的“心靈感應”很類似，兩個相距遙遠的人不約而同地想去做同一件事，好像有一根無形的線繩牽著兩個人。

全世界都希望做出量子計算機來，而建造量子網路的目的之一，就是通過量子網路達到構造量子計算機的目的。研究量子網路，做出量子計算機，並非為了淘汰電子計算機，而是為了應對普通計算機不能做到的情況。有了量子計算機，將使計算的概念煥然一新，並可解決包括高溫超導體的理論問題等目前（截至2012年）不能解決的問題。

有了量子計算機后，能幫助我們知道這些理論是否正確，這是現有計算機永遠不可能做的。

量子網路對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，並按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子并行計算。

量子網路的另一重要用途是模擬量子系統，這項工作是經典計算機無法勝任的。

從大角度來看，如果人類能夠成功建立起量子網路，那麼這裡面就不會有任何的延遲。通過量子網路相互連接的量子計算機和量子伺服器將應用量子糾纏實現無縫通訊。

從小的角度看，通過量子網路可以建立起一套無法被破譯的安全系統，這將受到各國政府的熱烈歡迎。

在經典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子網路中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。

所不同的是，量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上，而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態，不僅提供了量子并行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典計算機不同，量子網路可以做任意的幺正變換，在得到輸出態后，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經典計算作了極大的擴充。

在數學形式上，經典計算可看作是一類特殊的量子計算。無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。但在實際系統中量子相干性很難保持。在量子網路中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用範圍廣，缺點是效率不高。

1、量子粒子是脆弱，一點風吹草動就會讓它丟失信息。

例如，只要我們看一眼量子態的粒子（當然，它們太小了，我們的眼睛的解析度達不到分辨它的水平，不過我們眼睛發送的光子卻可以到達那裡），它的狀態就有可能被破壞了。所以，長期以來，量子網路只被當作科學幻想來看待。

2、在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。

到2011年為止，已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最後脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對於電子計算機一樣。

早期量子網路，實際上是用量子力學語言描述的經典計算機，並沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相干性。20世紀60年代至70年代，人們發現能耗會導致計算機中的晶元發熱，極大地影響了晶元的集成度，從而限制了計算機的運行速度，因此量子網路的概念源於對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

該領域最初面臨的最大問題是如何保持脆弱的量子粒子的完好性，甚至只要我們看它一眼（當然你什麼也看不到），光子就有可能將其破壞。量子數據傳輸的距離記錄是中國團隊創造的16千米，2012年年初這個數據就被他們刷新至97千米。

2012年9月，由世界各國科學家組成的團隊創造了新的量子數據傳輸記錄，讓構建全球量子網路成為了可能。他們成功將一量子比特（quantum bit）從拉帕爾瓦（La Palma）傳輸到特納利夫島（Tenerife），創造了量子數據傳輸的距離之最：143千米，打破了之前由中國保持的97千米的記錄。143千米這個數字已經接近了近地軌道衛星與地面之間的距離。也就是說，如果量子數據的傳輸距離能夠達到這個標準，那麼從理論上說我們就可以應用近地軌道衛星建立起一套量子網路。研究人員下一步的工作重點是發射一個能夠收發量子的近地軌道衛星。

全量子網路，指由量子傳輸通道和量子結點組成的複雜信息網路。每個量子結點有一定的信息存儲和處理功能，單個量子結點構成一個小型的量子計算機，而量子通道則連接不同小型量子計算機。不同於現有網際網路，全量子網路應用了量子物理特性，可突破現有網路物理極限，具有更強信息傳輸和處理能力。到2011年為止，世界上還沒有真正意義上的全量子網路，而預計5年內建成的全量子網路雛形光纖通信距離將達到150公里，存儲速度在1至2秒之間。