基于經(jīng)典計(jì)算原理，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)已在連接世界、實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊和推動(dòng)數(shù)字時(shí)代的發(fā)展方面展現(xiàn)出變革性力量。但互聯(lián)網(wǎng)日益廣泛的應(yīng)用也暴露出它在數(shù)據(jù)安全和完整性方面的缺陷。網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)泄露和監(jiān)控行為，對(duì)傳統(tǒng)通信的可靠性和隱私保護(hù)構(gòu)成了持續(xù)的威脅。

相較之下，尚處于起步階段的量子互聯(lián)網(wǎng)為我們提供了一個(gè)充滿希望的解決路徑。從經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)向量子互聯(lián)網(wǎng)的跨越，意味著將量子技術(shù)整合入現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)開(kāi)發(fā)新的協(xié)議與硬件以支持量子通信。這一跨越得益于以下幾項(xiàng)關(guān)鍵原理的支撐。

量子互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建模塊

量子互聯(lián)網(wǎng)是由多個(gè)量子計(jì)算機(jī)或其他量子器件組成的廣大網(wǎng)絡(luò)，核心功能是能完全實(shí)現(xiàn)任意節(jié)點(diǎn)之間的量子信息傳遞，從而開(kāi)啟全量子信息處理的新時(shí)代。量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基于量子力學(xué)的基本原理，致力于實(shí)現(xiàn)安全、高效的通信。

其中，量子密鑰分發(fā)（QKD）是一項(xiàng)核心原理，它能夠利用量子力學(xué)的特性，在通信各方之間安全地分配加密密鑰。BB84協(xié)議作為QKD中最著名的協(xié)議之一，確保任何企圖竊聽(tīng)的行為都會(huì)干擾量子態(tài)，然后向通信雙方發(fā)出警告。這種機(jī)制有效阻止了竊聽(tīng)者在不被察覺(jué)的情況下獲取傳輸數(shù)據(jù)，從而提供了超越傳統(tǒng)通信方法的安全保障。

糾纏交換和量子中繼器的運(yùn)用是另一個(gè)關(guān)鍵原理。通過(guò)創(chuàng)建中間節(jié)點(diǎn)，這些技術(shù)可以在不進(jìn)行測(cè)量的情況下保存和傳遞量子信息，擴(kuò)展了量子通信的覆蓋范圍。量子中繼器解決了長(zhǎng)距離通信中信號(hào)衰減的問(wèn)題，為構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。

此外，量子隱形傳態(tài)允許量子態(tài)在不同位置之間轉(zhuǎn)移，而無(wú)需物理傳輸量子位本身。這一過(guò)程結(jié)合了量子糾纏和經(jīng)典通信技術(shù)，能夠可靠地傳輸量子信息，同時(shí)確保信息的完整性和安全性。量子隱形傳態(tài)使得數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡(luò)上瞬間傳輸，從根本上上改變了信息共享和保護(hù)的方式。

全面改進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)與安全通信

量子互聯(lián)網(wǎng)可以提供堅(jiān)不可摧的加密手段，理論上不受任何計(jì)算能力的影響，包括未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)。QKD確保任何對(duì)密鑰的攔截都能被立即檢測(cè)到，防止竊聽(tīng)者在不被發(fā)現(xiàn)的情況下訪問(wèn)傳輸數(shù)據(jù)。這種增強(qiáng)的安全性根植于量子系統(tǒng)的基本特性：任何測(cè)量或攔截量子狀態(tài)的嘗試都會(huì)擾亂其特性，從而暴露入侵者的存在。

量子互聯(lián)網(wǎng)與量子計(jì)算的結(jié)合，將使計(jì)算能力得到指數(shù)級(jí)提升，有望解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以處理的復(fù)雜問(wèn)題。這種結(jié)合能夠增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，并提高基于互聯(lián)網(wǎng)的各種服務(wù)的效率。例如，量子算法能夠解決優(yōu)化問(wèn)題，執(zhí)行復(fù)雜的模擬，還可以比傳統(tǒng)算法更高效地處理大型數(shù)據(jù)集。

通過(guò)提供安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理服務(wù)，量子技術(shù)有望為云計(jì)算帶來(lái)新一輪革命。量子加密將保護(hù)敏感的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，量子計(jì)算可提供安全管理與分析海量信息的新方法，這將解決社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)泄露和未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)云服務(wù)等問(wèn)題日益增長(zhǎng)的擔(dān)憂。

金融部門(mén)也將從量子互聯(lián)網(wǎng)中受益。量子加密能夠保護(hù)敏感的金融數(shù)據(jù)和在線交易免受網(wǎng)絡(luò)威脅，確保金融業(yè)務(wù)的完整性和保密性。這有助于在消費(fèi)者和企業(yè)之間建立信任的橋梁，對(duì)數(shù)字金融服務(wù)具有提振作用。

軍事和政府機(jī)構(gòu)將能夠利用量子互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行安全可靠的通信。量子加密可以有效制止間諜活動(dòng)以及未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)機(jī)密信息，守衛(wèi)國(guó)家安全。即使是面對(duì)高級(jí)網(wǎng)絡(luò)威脅，敏感數(shù)據(jù)也能得到保護(hù)。

此外，量子互聯(lián)網(wǎng)還將為軍事和政府行動(dòng)提供新的能力。例如，量子傳感可以改進(jìn)導(dǎo)航和檢測(cè)系統(tǒng)，而量子計(jì)算可以優(yōu)化相關(guān)決策和戰(zhàn)略規(guī)劃。量子技術(shù)將為這些組織提供戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，并增強(qiáng)其運(yùn)營(yíng)的安全性。

圖：波音-AOSense飛行試驗(yàn)隊(duì)于5月完成首次量子導(dǎo)航飛行試驗(yàn)

來(lái)源：波音公司

波音公司就于近期完成了世界上首個(gè)多量子傳感器的飛行測(cè)試，使飛機(jī)能夠在不使用GPS進(jìn)行導(dǎo)航的情況下完成飛行。量子傳感器有望成為下一代導(dǎo)航傳感器的一部分，在無(wú)GPS干擾的環(huán)境中安全運(yùn)行的能力對(duì)于國(guó)防和商業(yè)應(yīng)用都至關(guān)重要。

量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的科研進(jìn)展

2020年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員展示了一個(gè)連接荷蘭三座城市的基本量子網(wǎng)絡(luò)，利用糾纏交換和量子中繼器實(shí)現(xiàn)了這一里程碑。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展示了創(chuàng)建更大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的可行性，并為開(kāi)發(fā)實(shí)用的量子通信系統(tǒng)鋪平了道路。

2021年，發(fā)表在IEEE上的另一項(xiàng)研究提出了一種基于集群的結(jié)構(gòu)的新穎設(shè)計(jì)來(lái)描述量子節(jié)點(diǎn)如何互連，以及該結(jié)構(gòu)如何提高量子比特傳輸?shù)男阅懿⒔档途W(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。該節(jié)點(diǎn)可以遠(yuǎn)距離連接量子計(jì)算機(jī)，采用量子和經(jīng)典通信方法的混合方法，安全有效地傳輸信息。此外，根據(jù)2022年發(fā)表在《物理評(píng)論應(yīng)用》上的一項(xiàng)研究，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種量子存儲(chǔ)系統(tǒng)，能夠顯著提高存儲(chǔ)時(shí)間和保真度，是可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

圖：相關(guān)研究成果于5月15日發(fā)表于《Nature》

來(lái)源：《Nature》

2024年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)首次采用單光子干涉在獨(dú)立存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間建立糾纏，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了國(guó)際首個(gè)基于糾纏的城域三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)。該工作使得現(xiàn)實(shí)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離由以往的幾十米整整提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)至幾十公里，為后續(xù)開(kāi)展盲量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算、量子增強(qiáng)長(zhǎng)基線干涉等量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

實(shí)用的量子網(wǎng)絡(luò)照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，可能比我們預(yù)想中還要更早。

未來(lái)展望

量子互聯(lián)網(wǎng)在徹底改變安全通信，以及為各種行業(yè)提供優(yōu)化方案方面具有巨大的潛力。隨著越來(lái)越多科研進(jìn)展的涌現(xiàn)，更先進(jìn)的量子網(wǎng)絡(luò)值得期待。將量子技術(shù)整合到現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中，也能為創(chuàng)新開(kāi)辟新的途徑，以一種尚未被我們完全理解的方式優(yōu)化數(shù)字環(huán)境。

總而言之，量子互聯(lián)網(wǎng)代表了由量子力學(xué)原理驅(qū)動(dòng)的通信技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變。它旨在解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的漏洞，提供強(qiáng)大的安全性和增強(qiáng)的計(jì)算能力。未來(lái)，量子互聯(lián)網(wǎng)將有望徹底改變信息的通信和保護(hù)方式，迎來(lái)數(shù)字連接的新時(shí)代。

參考鏈接

[1]https://ieeexplore./document/9528843

[2]https://www./science/article/abs/pii/B9780128215104000078

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[4]https://journals./rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.95.045006

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[6]https://ieeexplore./abstract/document/9222275

[7]https://onlinelibrary./doi/abs/10.1002/9781394167401.ch19

[8]https://dl./doi/abs/10.1145/3386367.3431293

[9]https://ieeexplore./document/9597613

[10]https:///boeing/BNN/articles/boeing-completes-worlds-1st-quantum-navigation-flight-test

[11]https://www./articles/s41586-024-07308-0

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