量子網絡是未來高速企業通信的基礎。

無縫量子網絡所需的技術必須部署在遠距離的多個節點上，以實現超安全、可靠和快速的量子比特數據傳輸。量子物理原理是量子網絡的基礎。

什么是量子網絡？

量子網絡與量子物理和通信直接相關。其物理基礎設施包括多個以量子位形式交換信息的量子處理器。量子網絡是在量子網絡內傳輸和接收以量子位狀態編碼的信息的過程。

量子物理原理控制著量子網絡協議和算法，在分布于遠距離的多個節點之間以高度加密的方式交換信息。這些原理啟動了量子網絡協議，以提供快速、可靠和安全的通信。

由于量子網絡是一種全新的網絡技術，因此提供商將其商業化可能是一個挑戰。本文討論了量子網絡的一些優點和缺點，以及與其實施相關的挑戰。

量子網絡的好處

盡管量子網絡仍處于萌芽階段，但極有潛力提供多種下一代優勢。量子網絡的好處包括：

• 應用范圍廣泛
• 共同解決問題
• 遠距離通信
• 可靠的傳輸
• 增強安全性
• 量子密碼學
• 錯誤檢測和糾正

應用廣泛

在量子網絡中，網絡以量子位（通常稱為邏輯量子位）的形式發送和接收信息。量子位的糾纏或疊加狀態對信息進行編碼。這些量子位同時存在于多種狀態，即0、1或兩者，但在測量時由于波函數坍縮而發生變化。

光子能量驅動大多數量子網絡技術。雙粒子和波狀性質提供了各種與量子相關的應用，如量子傳感、量子隱形傳態、量子模擬等。

共同解決問題

理想情況下，一定數量的量子網絡可以部署多個節點來解決共同的問題。量子網絡需要高計算能力和速度來計算復雜問題。

例如，分布式量子計算是一個量子網絡集群，其中多個量子處理器連接起來共同解決復雜問題并執行高速計算。量子網絡基礎設施還可以連接到量子互聯網，與量子處理器、傳感器、中繼器、控制器和其他設備形成量子物聯網。

遠距離通信

量子糾纏描述了量子位的長距離傳輸。在量子網絡中，兩個或多個量子位處于具有相同或相反自旋的糾纏狀態。這些量子位首先交織在一起，然后分開很遠的距離。

如果一個量子位的狀態在測量時發生變化，則另一個量子位會自動發生變化。量子糾纏有時稱為量子隱形傳態，因為實際的量子位不會通過通道傳輸到路由器和其他網絡設備。

傳輸可靠

TCP/IP模型描述了數據包在網絡上的傳輸以及接收方的確認。量子網絡消除了確認的需要，因為可以預測交織的狀態。

量子中繼器部署在單個或多個位置，以增強量子網絡的可靠性、計算能力和范圍。換句話說，量子中繼器減少了退相干和信號損失的影響，以提供準確的信息。

增強安全性

不可克隆定理指出，不可能將未知狀態的量子信息復制到另一個狀態。被稱為竊聽者的黑客無法創建未知糾纏量子態的完全獨立且相同的副本。

然而，黑客可以嘗試操縱量子網絡中的量子位以獲得一定程度的復制。量子網絡協議可以檢測通道上的操縱，并提供量子錯誤檢測和糾正功能，以確保高水平的安全性。

量子密碼學

量子網絡結合了量子密碼學來加密和解密信息。量子密鑰分發(QKD)是一種量子加密協議，可在不安全的網絡上以量子位或偏振光子的形式共享密鑰。

在量子密碼學中，海森堡的不確定性原理指出，不可能同時測量粒子的速度和位置以實現超安全連接。發送方和接收方比較測量結果以消除錯誤、檢測第三方嘗試并解密密鑰。QKD協議包括BB84、基于誘餌的QKD等。

錯誤檢測和糾正

量子網絡可以通過量子錯誤檢測和校正算法幫助實現高精度。許多糾錯算法檢測接收到的量子位狀態與傳輸光子的偏差。

這些協議使用戶能夠找出可能對量子網絡進行的黑客嘗試。一些糾錯碼包括短程碼、玻色碼和位翻轉碼。

量子網絡的挑戰

盡管量子網絡有很多好處，但也并非沒有挑戰。量子網絡的缺點包括：

• 量子信息的脆弱性
• 復雜的操縱
• 溝通慢
• 可擴展性問題
• 成本高
• 復雜的集成

量子信息的脆弱性

量子信息本質上是脆弱的，這使得其容易受到環境因素的影響，例如量子干擾、退相干和信號丟失。網絡專業人員可以在多個網段部署量子中繼器，以保持量子網絡的準確性。此外，量子運算符需要在糾錯過程中對量子位進行操作。

復雜的操控

從企業的角度來看，無法復制量子態可能會限制許多常規應用。在這些情況下，量子邏輯門操縱節點之間的量子信息以實現傳輸。然而，量子邏輯門不能違反不可克隆定理。

溝通慢

一個常見的誤解是量子通信比光速更快。然而，量子網絡經常使用傳統的通信方法來消除超光速通信的可能性。量子網絡使用光纖進行通信，就像傳統互聯網一樣。

可擴展性問題

長距離量子通信目前是假設的，因為具有許多節點的量子網絡使用短距離將其分開。量子網絡通常比經典網絡具有更少的處理器。量子處理器實際上可以在量子網絡協議中生成更少的疊加或糾纏量子位。

成本高

量子網絡的實施和維護需要高成本的投資。量子網絡硬件和軟件需要在技術、工程和成本方面進行大量投資。高預算行業，如政府、深空研究和密碼項目，更適合量子網絡。

復雜的集成

量子網絡有混合網絡所需的自己的標準化和互操作性。為了與經典互聯網融合，網絡必須部署大量量子處理器。此外，TCP/IP通信模型和量子網絡工作在不同的技術上，很難將它們結合起來。

量子網絡的未來

大型企業和組織對量子網絡感興趣，以實現優化計算和快速通信并解決復雜問題。

量子網絡需要數年時間才能像當前的計算機網絡一樣以可承受的價格進行商業運營。在接下來的幾十年里，IT、太空、研究、醫療保健和零售等多個行業可以通過量子網絡實現快速通信和高性能計算。