了解量子技术如何工作

量子技术是一个领域，一旦出现，可能会改变许多基于技术的应用程序的面貌。尽管量子技术还不成熟，但科学家们已经设法制造出可以使用量子网络传输数据的设备，尽管在低温下传输时间仅为纳秒级。然而，正在取得进展——半导体目前作为基本构建块处于领先地位——如果你看看过去几十年经典计算技术取得的巨大进步，那么量子技术可能并不像许多人想象的那么遥远.

量子技术的价值有很多，特别是对于任何使用计算机芯片的东西，因为它可以同时执行更多的操作——而且速度比现代计算机更快——同时提供一个额外的加密层，这比现代计算机要多得多。在当今的网络世界中需要。

量子比特

任何量子技术的背后都是量子位——也称为量子位——它与经典计算位相似，但又截然不同。量子位是量子网络的基石，就像经典网络中的经典位一样。经典计算位——被许多人称为二进制位——可以采用两种形式之一。它们是 1 和 0。量子位也可以采用 1 或 0 的形式，但还有第三种形式是经典位不可能的，它是一种可叠加的形式，可以采用 1 或 0 的形式0. 因为可叠加形式可以采用任何一种形式，所以可以同时在两个值中执行操作——这在经典网络中是不可能的。这是量子网络能够以比经典网络高得多的速度处理多个操作的根本原因之一。

形成量子网络

在这三种形式中的每一种中，每个量子位都可以拥有无限值。这导致了状态的连续统一体，其中每个量子位都变成一个并且彼此无法区分。尽管单个量子位使用电子自旋和光子偏振来存储数据，但它们可能会纠缠在一起，这使得它们充当一个统一的系统。这意味着每个量子网络都被描述为一个完整的系统，而不是一系列的量子比特。

量子纠缠是量子网络中的一个重要现象。电子、光子、原子和分子都可以纠缠在这些网络中。量子网络中的纠缠也会延伸很远的距离。当测量量子网络的一部分时，可以推断出该特定网络中相应纠缠量子位的属性作为确定值。这使得可以建立许多网络，所有网络都具有不同的值和属性，但单个网络中的所有量子位共享相同的信息。

量子隐形传态是另一种使量子技术发挥作用的现象，在本质上类似于量子纠缠。量子隐形传态是这样一种过程，在该过程中，量子比特中保存的数据和/或信息——通过向上或向下旋转的电子，以及通过垂直或水平方向的极化光子——从一个位置传输到另一个位置，而无需传输量子比特本身。

大多数量子比特都纠缠在这些网络中；然而，如果怀疑它们没有纠缠在一起，可以使用巧合相关性来测试它们。巧合相关假设纠缠网络一次只能发射一个光子。您可以使用多个光电探测器来查看单个网络发射了多少光子。如果在任何时候记录了不止一个光子，那么您可以假设量子网络不是单光子系统，因此不纠缠。

物理基础设施

构成量子比特的材料是建立量子网络的重要组成部分。量子系统是通过操纵物理材料形成的，因此用于构建量子网络的材料的性质和特性是主要考虑因素。对于任何被视为量子技术基石的材料，它都需要拥有长寿命的自旋态，它可以控制这种状态，并且能够运行并行量子位网络。

许多物理部分也用于设计量子网络。量子系统所需的关键特性之一是在每个网络之间布置互连的通信线路。就像在经典计算中一样，这些通信线路在端节点之间运行。这些节点代表单个量子网络中保存的信息，这对于更大和/或复杂的量子网络变得更加重要，因为在量子系统中保存着许多不同类型的信息。这些终端节点可以采用多种形式，尽管目前最流行的选择是：

分束器

光电探测器

电信激光器

量子逻辑门

离子阱

如果量子网络要正常运行，另外两个物理组件至关重要。这些是通信线路和量子中继器。物理通信线路目前主要有两种形式，即光纤网络和自由空间网络，两者的工作方式不同。由光纤电缆制成的物理通信线路通过衰减电信激光器来发送单个光子，光子的路径在被光电探测器检测和接收之前由一系列干涉仪和分束器控制。另一方面，自由空间网络依赖于通信路径两端之间的视线。就目前而言，两者都可以远距离使用，但自由空间网络受到的干扰更少，传输速率更高，并且比光纤网络更快。

另一个重要的组件是中继器，它确保量子网络不会丢失信号或因退相干而受到损害——退相干是由于环境噪声造成的信息丢失。这在经典网络中是一个直接的过程，因为放大器只是简单地增强信号。对于量子网络，这要棘手得多。量子网络需要采用一系列可信中继器、量子中继器、纠错器和纠缠净化机制来测试基础设施，保持量子比特纠缠，检测任何短程通信错误，并最大限度地减少退相干程度网络。

添加额外的加密层

可以通过量子密钥分发将额外的安全层合并到量子网络中，量子密钥分发利用量子力学原理来执行加密操作。当两个人通过量子网络进行通信，或者数据从一个地方传输到另一个地方时，这将是一个特别有用的工具。加密过程将利用随机偏振的光子来传输随机数序列。然后，这些序列充当密码系统中的密钥。这些密码系统背后的理论是，它们将在两个不同的通信点之间使用两个网络——一个经典通道和一个量子通道，这两个通道都扮演着特定的角色。经典通道用于执行经典操作，是一种查看是否有人试图侵入网络的方式。然而，包含数据的量子位将通过量子通道发送，这意味着经典系统可以被黑客攻击，但黑客不会获得任何信息——因为该通道中不存在任何信息。这些系统能够判断网络是否被黑客入侵的方式取决于信号的相关性。经典网络是高度相关的，如果通道中的源和接收者之间出现任何缺陷，那么系统就会知道是否有人试图进行黑客攻击。

结论

尽管在日常系统中实现量子技术可能还需要一段时间，但这些技术具有彻底改变计算和通信空间的潜力。量子网络成为一个整体并进行远距离传输的能力与经典系统相比具有许多优势，其中包括更快的数据传输类型的潜力、同时执行多个操作的能力以及高度加密的数据通信通道。

审核编辑：汤梓红