量子网络解决方案：通过地面和空中进行网络连接

北京时间5月7日消息（余予）芝加哥量子交易所科学作家Meredith Fore近日发表文章。她表示，如果量子计算机可以通过量子网络连接，那么它们可以促进两方之间完全安全的通信，或者结合计算能力来解决比一台量子计算机单独解决的问题困难得多的问题。

以下为文章全文：

虽然量子计算机代表了计算领域的一场革命，但它们无法像普通计算机那样通过互联网相互通信。如果量子计算机可以通过量子网络连接，那么它们可以促进两方之间完全安全的通信或者结合计算能力来解决比一台量子计算机单独解决的问题困难得多的问题。

在美国物理学会3月会议的一场邀请会议上，两位芝加哥量子交易所的物理学家采取了不同的方法来解决实现大规模地基量子网络的核心障碍：节点之间的距离受到量子信号通过光纤传播的距离的限制。

一种既能放大又能防止数据丢失的解决方案

芝加哥大学教授Liang Jiang专注于更受大家欢迎的解决方案：量子中继器。量子中继器将被放置在网络的节点之间，以重新生成量子信号，使其可以传播更远的距离。Liang Jiang表示，尽管“在这个方向上已经取得了重大进展”，但目前还没有人展示出成功的量子中继器。

除了重新生成信号外，量子中继器还可以通过纠错来防止长距离的数据丢失。纠错代码在蓝牙和WiFi等传统的网络中很常见，它们控制数据中自然发生的错误，因为信号将数据从一个设备传送到另一个设备。

但由于量子态的敏感性，量子系统极易出错，因此纠错是量子技术领域一个大而重要的研究领域。

“从理论的角度来看，有两个重要的问题要问，”Liang Jiang表示，“首先，可以通过嘈杂的光纤通道传输的最大量子信息量是多少？其次，假设我们知道这个极限：我们可以通过良好的量子纠错代码设计来实现它吗？”

除了量子中继器中的量子纠错策略及其预测效率之外，Jiang还分享了量子网络的另一个应用：量子数据中心 (QDC)，在量子网络上的用户可以访问经典数据库以实现量子计算。从数据库中搜索经典数据作为量子比特所必需的设备，被称为量子随机存储器 (QRAM)，可能非常昂贵，但Jiang认为QDC是一种解决方案。

“我们可能希望将QRAM用作量子服务器，通过量子网络连接到用户，”Jiang表示，“然后，所有个人用户都可以通过量子网络查询数据库，而无需在他们身边配备QRAM。这可以分担昂贵设备的成本。”

将量子网络带入空中或更远的地方

对于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Bardeen物理学教授Paul Kwiat来说，光纤信号丢失问题的解决方案可能是通过无人机将量子网络从地面带到空中，甚至是通过卫星送入太空。

“目前我们几乎只有本地光纤网络，很少有例外，”Kwiat表示，“我的愿景是希望实现更加多样化的情况，我们在各种平台之间建立了联系……使用卫星，连接到空中车辆、无人机、卡车或船只。”他指出，信号在自由空间的损耗比通过光纤要慢得多，这意味着量子信号可以传输更远的距离。

这种“移动”量子网络有很多优势，其中节点易于重新定位。有些是科学的，比如进行大规模量子传感或者研究不同惯性框架中的量子现象，以检验量子力学与相对论之间的关系。有些是更实用的：在没有光纤连接的情况下，使用空中车辆作为量子通信的节点，比如在海上的海军舰艇上。

太空中卫星之间的量子网络将允许进行更多的基本量子力学测试，其距离和速度比地球上可能的要大，并且覆盖了引力效应变化的区域。

在过去一年里，美国宇航局资助了一个由美国领导的“空间纠缠和退火量子[MS1] 实验（SEAQUE）”项目，该项目将测试轨道上的量子通信技术。这将是商业空间站模块上的第一个量子信息科学有效载荷：连接到国际空间站的Nanoracks Bishop Airlock。它也将是第一个飞行的“集成光波导源”，它比以前的类似量子实验更有效，因为没有需要定期重新排列的移动部件。SEAQUE目前计划于2023年春季推出。

领导该项目的Kwiat小组负责SEAQUE的光学有效载荷和控制板；其他元素则由美国、加拿大和新加坡的机构提供。

“我很兴奋，因为这是一个三国的太空量子实验，”Kwiat表示，“这很有趣。”

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