什么是量子网络？ | 智能百科

什么是量子网络？

基于量子物理学的量子网络可提供安全、高速的通信。量子网络的挑战包括脆弱性、成本和集成。

量子网络是未来高速企业通信的基础。

无缝量子网络所需的技术必须部署在远距离的多个节点上，以实现超安全、可靠和快速的量子比特数据传输。量子物理原理是量子网络的基础。

什么是量子网络？

量子网络与量子物理和通信直接相关。其物理基础设施包括多个以量子位形式交换信息的量子处理器。量子网络是在量子网络内传输和接收以量子位状态编码的信息的过程。

量子物理原理控制着量子网络协议和算法，在分布于远距离的多个节点之间以高度加密的方式交换信息。这些原理启动了量子网络协议，以提供快速、可靠和安全的通信。

由于量子网络是一种全新的网络技术，因此提供商将其商业化可能是一个挑战。本文讨论了量子网络的一些优点和缺点，以及与其实施相关的挑战。

量子网络的好处

尽管量子网络仍处于萌芽阶段，但极有潜力提供多种下一代优势。量子网络的好处包括：

应用广泛

在量子网络中，网络以量子位（通常称为逻辑量子位）的形式发送和接收信息。量子位的纠缠或叠加状态对信息进行编码。这些量子位同时存在于多种状态，即0、1或两者，但在测量时由于波函数坍缩而发生变化。

光子能量驱动大多数量子网络技术。双粒子和波状性质提供了各种与量子相关的应用，如量子传感、量子隐形传态、量子模拟等。

共同解决问题

理想情况下，一定数量的量子网络可以部署多个节点来解决共同的问题。量子网络需要高计算能力和速度来计算复杂问题。

例如，分布式量子计算是一个量子网络集群，其中多个量子处理器连接起来共同解决复杂问题并执行高速计算。量子网络基础设施还可以连接到量子互联网，与量子处理器、传感器、中继器、控制器和其他设备形成量子物联网。

远距离通信

量子纠缠描述了量子位的长距离传输。在量子网络中，两个或多个量子位处于具有相同或相反自旋的纠缠状态。这些量子位首先交织在一起，然后分开很远的距离。

如果一个量子位的状态在测量时发生变化，则另一个量子位会自动发生变化。量子纠缠有时称为量子隐形传态，因为实际的量子位不会通过通道传输到路由器和其他网络设备。

传输可靠

TCP/IP模型描述了数据包在网络上的传输以及接收方的确认。量子网络消除了确认的需要，因为可以预测交织的状态。

量子中继器部署在单个或多个位置，以增强量子网络的可靠性、计算能力和范围。换句话说，量子中继器减少了退相干和信号损失的影响，以提供准确的信息。

增强安全性

不可克隆定理指出，不可能将未知状态的量子信息复制到另一个状态。被称为窃听者的黑客无法创建未知纠缠量子态的完全独立且相同的副本。

然而，黑客可以尝试操纵量子网络中的量子位以获得一定程度的复制。量子网络协议可以检测通道上的操纵，并提供量子错误检测和纠正功能，以确保高水平的安全性。

量子密码学

量子网络结合了量子密码学来加密和解密信息。量子密钥分发(QKD)是一种量子加密协议，可在不安全的网络上以量子位或偏振光子的形式共享密钥。

在量子密码学中，海森堡的不确定性原理指出，不可能同时测量粒子的速度和位置以实现超安全连接。发送方和接收方比较测量结果以消除错误、检测第三方尝试并解密密钥。QKD协议包括BB84、基于诱饵的QKD等。

错误检测和纠正

量子网络可以通过量子错误检测和校正算法帮助实现高精度。许多纠错算法检测接收到的量子位状态与传输光子的偏差。

这些协议使用户能够找出可能对量子网络进行的黑客尝试。一些纠错码包括短程码、玻色码和位翻转码。

量子网络的挑战

尽管量子网络有很多好处，但也并非没有挑战。量子网络的缺点包括：

量子信息的脆弱性

量子信息本质上是脆弱的，这使得其容易受到环境因素的影响，例如量子干扰、退相干和信号丢失。网络专业人员可以在多个网段部署量子中继器，以保持量子网络的准确性。此外，量子运算符需要在纠错过程中对量子位进行操作。

复杂的操控

从企业的角度来看，无法复制量子态可能会限制许多常规应用。在这些情况下，量子逻辑门操纵节点之间的量子信息以实现传输。然而，量子逻辑门不能违反不可克隆定理。

沟通慢

一个常见的误解是量子通信比光速更快。然而，量子网络经常使用传统的通信方法来消除超光速通信的可能性。量子网络使用光纤进行通信，就像传统互联网一样。

可扩展性问题

长距离量子通信目前是假设的，因为具有许多节点的量子网络使用短距离将其分开。量子网络通常比经典网络具有更少的处理器。量子处理器实际上可以在量子网络协议中生成更少的叠加或纠缠量子位。

成本高

量子网络的实施和维护需要高成本的投资。量子网络硬件和软件需要在技术、工程和成本方面进行大量投资。高预算行业，如政府、深空研究和密码项目，更适合量子网络。

复杂的集成

量子网络有混合网络所需的自己的标准化和互操作性。为了与经典互联网融合，网络必须部署大量量子处理器。此外，TCP/IP通信模型和量子网络工作在不同的技术上，很难将它们结合起来。

量子网络的未来

大型企业和组织对量子网络感兴趣，以实现优化计算和快速通信并解决复杂问题。

量子网络需要数年时间才能像当前的计算机网络一样以可承受的价格进行商业运营。在接下来的几十年里，IT、太空、研究、医疗保健和零售等多个行业可以通过量子网络实现快速通信和高性能计算。

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