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为什么我们需要量子互联网?

来源:机房360 作者: 更新时间:2022/4/29 13:56:20

摘要:在谷歌工作的瑟夫说:“量子计算机的规模是由纠缠的分布推动的。”。“从理论上讲,如果你能将纠缠分布到更多不同的量子机器上,你就可以制造出更大的量子系统。”

  量子计算机是四十年前提出的,但尚未在世界上产生任何真正的影响。研究人员正在努力从必须保持接近绝对零的系统中获得大量的处理能力。

  但与此同时,量子信息学界已经在努力超越单个量子计算机的下一步:一个可以将它们连接在一起工作的互联网。

  你已经可以在互联网上与大量实验量子计算机进行通信。例如,亚马逊的AWS Braket允许您在不同的量子处理器(D-Wave、IonQ或Rigetti)上构建和测试量子算法,或者使用模拟器。

  微软在Azure上也做了类似的事情,IBM也允许用户使用五量子位量子系统。

  工作完成了吗?不。

  共享孤立量子计算机的输出是一回事;将量子计算机连接起来是另一回事。

  量子计算的力量在于拥有大量的量子位,量子位的值直到计算结束才确定。如果你能把这些“活的”量子比特联系起来,你就把量子计算机的内部联系起来了,你实际上创造了一个更大的量子计算机。

  为什么要连接量子计算机?

  “很难建造足够大的量子计算机来解决真正的大问题,”互联网创始人之一文特·瑟夫在与DCD的电子邮件交流中解释道。

  问题更难,因为量子世界会产生错误:“你需要大量的物理量子位来产生数量少得多的逻辑量子位——因为纠错需要大量的物理量子位。”

  所以,我们确实需要把量子计算机做得更大。

  但我们想把“活的”量子位连接起来,而不仅仅是共享量子计算机的输出。我们希望在不破坏波函数的情况下分布计算机的内部状态——这意味着分布纠缠。

  量子互联网意味着获取量子效应并将其分布在网络上。事实证明,这非常复杂,但可能非常强大。

  在谷歌工作的瑟夫说:“量子计算机的规模是由纠缠的分布推动的。”。“从理论上讲,如果你能将纠缠分布到更多不同的量子机器上,你就可以制造出更大的量子系统。”

  不过有个问题。

  有几种方法可以为量子计算机的发展构建量子比特,包括超导结、囚禁离子量子计算机和其他基于光子的量子计算机。它们的一个共同点是,它们必须与世界隔离,才能发挥作用。

  量子比特必须保持一种量子相干状态,在这种状态下,所有的量子态都可以存在,就像薛定谔著名悖论中的猫一样,它既有生也有死——只要盒子保持关闭。那么你如何与一个密封的盒子沟通呢?

  国家量子互联网

  谷歌等科技公司和世界各地的大学都在问这个问题。欧洲有量子互联网联盟(Quantum Internet Alliance),该联盟由包括QuTech在内的多所大学和机构组成,美国有由芝加哥大学教授戴维·奥沙洛姆(David Awschalom)领导的美国国家量子信息科学项目Q-Next

  美国能源部认为这个问题足够重要,可以提供资金,并支持Q-Next牵头合作伙伴阿贡国家实验室的项目。在成功的例子中,Q-Next通过一条52英里长的光纤链路共享量子态,这条光纤链路已成为未来可能的国家量子互联网的核心。

  欧洲的QIA也取得了一些成功,包括第一个连接三个量子处理器的网络,量子信息通过一个中间节点传递,这是在量子信息学的QuTech研究所创建的。

  另一位QIA成员,马克斯·普朗克研究所,使用一个光子来共享量子信息——正如我们将看到的,这一点很重要。

  在阿贡,芝加哥大学的科学家马丁·苏查拉(Martin Suchara)为他在量子通信方面的工作获得了能源部的资助。但他也回应了传输量子信息的困难。

  “不克隆定理说,如果你有一个量子态,你就不能复制它,”Suchara说。“这确实是一个巨大的工程挑战。”

  请来标准机构

  随着大量工作的进行,我们开始看到量子互联网的开始。

  但除了技术上的困难,还有另一个危险。所有这些机构都可以创建几个不兼容的量子互联网。这将背叛最初的互联网。

  互联网以“粗略的共识和运行代码”而闻名工程师们要确保这些东西都能正常工作,并且可以在多个系统中进行复制,然后才能将它们固定下来。

  35年来,确保运行代码的机构一直是互联网工程任务组(IETF)。是这个机构为我们的全球神经系统制定标准。

  自互联网诞生以来,IETF已经发布了被称为“RFCs”(征求意见)的标准。这些定义了网络协议,确保你的电子邮件和视频聊天可以被其他人接收。

  如果我们想要一个量子互联网,我们将需要一个RFC,它将说明量子计算机如何通信。

  现在,对于IETF的实际工程师和协议设计师来说,这是一片蔚蓝的天空。因此,量子互联网的先驱们把他们的想法带到了IETF的姐妹组织——前瞻性互联网研究工作组(IRTF)。

  IRTF有一个量子互联网研究小组(QIRG),有两位主席:日本庆应大学教授罗德尼·范·米特;以及代尔夫特的库泰克大学的沃伊切赫·科兹洛夫斯基。QIRG一直在悄悄地关注将引入全新网络运营方式的发展。

  “正是量子比特的传输在真正的量子网络和通过经典网络连接的量子计算机集合之间划清了界限,”QIRG的文件《量子互联网的体系结构原理》说。“量子网络被定义为一组节点,这些节点能够相互交换量子位并分配纠缠态。”

  这项工作正在引起轰动。科兹洛夫斯基说,在新冠肺炎使IETF暂停其面对面会议之前,QIRG聚会吸引了不少人参加,“但更多的是出于好奇。”

  从基础做起

  量子网络的基本原理是分配纠缠(见方框),然后可以使用纠缠在不同位置共享量子比特的状态。

  Suchara解释说:“诀窍在于,你不直接传输对你来说非常宝贵的量子态:你分配纠缠。两个光子纠缠在一个定义良好的状态中,基本上将它们连接在一起。你通过网络传输这对光子中的一个。”

  他接着说:“一旦你在通信端点之间分配了纠缠,你就可以使用所谓的量子隐形传态来传输量子态。它基本上消耗了纠缠,并将量子态从A点传输到B点。”

  科兹洛夫斯基解释说:“量子数据本身从未实际进入网络。”。“它被直接传送到远端。”

  科兹洛夫斯基指出,传送量子比特是令人兴奋的,但分配纠缠是最基本的事情。

  “例如,量子密钥分发可以在基于纠缠的网络上运行,而无需任何远程传输,其他许多应用程序也可以。大多数量子应用程序协议都是从‘我有一堆态’开始的,而远程传输只是使用这些态的一种方式。”

  走向量子互联网协议

  2020年末,科兹洛夫斯基与代尔夫特的同事合著了一篇论文,提出了一个量子互联网协议,它开创了一个重要的先例,将分布式纠缠置于一个类似于分层堆栈(OSI或TCP/IP)的框架中,后者定义了经典网络上的通信。

  “我们提出的协议栈深受TCP/IP或OSI的启发。”他告诉我们。“每一层的定义略有不同,但底部有一个物理层,它试图产生纠缠。”

  “尝试”这个词很重要,他说:“它经常失败。然后我们有一个链路负责在两个量子中继器或终端节点和一个量子中继器之间的单个链路上运行。物理层会说‘我失败了’,或‘我成功了’。链路层负责管理这一点,最终会说,‘嘿,我真的为你创造了纠缠。’”

  该协议必须跟踪不同节点上纠缠的量子比特,这就带来了一个并行网络通道:“分配纠缠的一个重要方面是,最终形成纠缠对的两个节点必须同意它们的哪个量子比特与哪个量子比特纠缠。不能随意使用任何纠缠的量子比特。

  一个人必须能够在协议中识别出一个节点上的哪个量子比特与另一个节点上的哪个量子比特纠缠在一起。如果不跟踪这些信息,那么这些量子比特是无用的

  “假设这两个节点产生数百个纠缠对,但其中只有两个是特定应用程序的目标,那么该应用程序必须从协议栈中获得正确的量子位。这两个量子位必须相互纠缠,而不仅仅是另一个节点上的任何随机量子位。”

  经典的互联网必须传输这样的协调信号,但它可以将它们放在每个数据包的报头中。这在量子互联网上是不可能发生的,所以“头”信息必须在一个平行的通道上,通过经典互联网。

  “对量子来说,软件和网络协议之所以困难,是因为人们可以想象一个包有一个量子比特作为有效载荷,并且有一个报头。但它们永远不会在同一个信道上传输。量子比特在量子信道上传输,而报头在经典信道上传输。”

  它需要一个经典频道

  科兹洛夫斯基说:“在参与量子网络的所有节点之间建立经典的通信通道是一个困难的要求。”。

  在协议设计中,代尔夫特团队利用机会在经典互联网上设置了与量子互联网上的量子有效载荷不对应的头文件,科兹洛夫斯基说:“我们选择了一种稍有不同的方法,在这种方法中,信令和控制消息不直接耦合。我们确实有包含控制信息的数据包,就像报头一样。然而,不同的是,它们不一定有一个有效负载连接到它们。”

  实际上,这意味着量子互联网将永远需要经典互联网来承载报头信息。每个量子节点也必须位于经典互联网上。

  因此,量子互联网将在量子平面上拥有量子信息,而控制平面将在经典互联网上并行运行,处理完成量子比特纠缠分布所需的经典数据。

  顶部的应用程序

  代尔夫特的提议保持了一般性,将远程传输放在最上面,作为一个在量子互联网上运行的应用程序,而不是作为一个较低层的服务。科兹洛夫斯基说,早期的想法建议在传输层中包含隐形传输,但“我们还没有提出这样的传输层,因为许多应用甚至不需要隐形传输量子比特。”

  代尔夫特的论文提出了一个传输层,它直接在纠缠对上运行,以提供远程操作等服务。

  在Argonne,Suchara的项目着眼于标准工作,并同意以下原则:“量子互联网协议栈应该是什么样子?”他问道。“它很可能在某种程度上类似于OSI模型。将有层次,协议的某些部分必须在最低层控制硬件。”

  和科兹洛夫斯基一样,他看到下层管理中继器节点中的光子探测器和量子存储器。

  除此之外,他说,“最顶层是应用程序。为了量子隐形传态的成功,你必须采取某些行动。这是最顶层。”。

  “然后所有的东西都在中间,通过网络路由光子。如果你有一个复杂的拓扑结构,有多个网络节点,你想要超越点对点通信;你需要多个用户和多个应用程序。

  整理中间层会产生很多开放性问题,Suchara说:“如何有效地做到这一点?这就是我们想要回答的问题。”

  在这个阶段,分歧的危险很小,但在代尔夫特,科兹洛夫斯基的同事,包括量子网络领导人斯蒂芬妮·韦纳,实际上已经开始为最终的量子互联网编写代码。在撰写这篇文章的同时,QuTech的研究人员发表了一篇论文《使用量子网络堆栈进行纠缠传输的实验演示》。导言承诺:“我们的结果标志着从物理实验到量子通信系统的明显转变,这将使未来量子网络组件的开发和测试成为可能。”

  实际实施

  将其付诸实践会带来下一系列问题。分布纠缠依赖于光子(光粒子),量子互联网研究人员称之为“飞行量子比特”,将它们与末端系统中的静止量子比特(称为“物质量子比特”)进行对比

  使用光子听起来让人安心。这是光。这和我们在传统互联网中通过光缆发送的信息是一样的。实验室中主要的量子比特技术之一是基于光子的。

  但这里有区别。首先,我们在量子尺度上工作。通过经典网络发送的一个比特将是一束包含数百万光子的光。飞行的量子比特是由单个(纠缠)光子组成的。

  Suchara说:“在经典通信中,你只需要用数千个光子对你的比特进行编码,或者创建比特的额外副本。”。“在量子世界中,你不能这样做。你必须用一个光子来编码量子态。如果这个光子丢失了,你就失去了信息。”

  此外,网络需要知道飞行量子比特是否已经成功发射。这意味着要知道是否已经实现了纠缠,这需要量子先驱们所说的“先驱纠缠产生方案”

  在光纤上使用单光子是有限制的。超过几公里,这是不可能的。因此量子互联网研究人员提出了“纠缠交换”一系列被称为“量子中继器”的中间系统被建立起来,这样一对量子中继器的远端可以被反复传送,直到到达目的地。

  这仍然不是完美的。拷贝的保真度会降低,因此使用多个量子位,并在一个称为“量子纠错”的过程中“提取”

  Suchara说,在一个层面上,这仅仅意味着重复这个过程,直到它奏效。“你有这些纠缠光子,你可以传输它们。如果这些纠缠对中的一部分——甚至是很大一部分——丢失了,那没关系。你只需要让其中的一部分通过。”

  科兹洛夫斯基同意:“分布式纠缠之所以有效,而量子比特分布却不起作用,是因为当我们分布纠缠时,它是以一种已知的形式存在的。它处于我们所称的贝尔态。因此,如果一个失败了,如果一个丢失了,它只会再次产生。”

  量子中继器必须处理纠错和提取,以及路由和管理。

  但科兹洛夫斯基说,末端节点将更加复杂。“量子中继器必须产生纠缠并进行一点纠缠交换。终端节点必须具有良好的量子内存容量,该内存可以容纳量子位,并可以实际执行本地处理指令和操作。除了产生纠缠,还可以在其上执行应用程序。”

  与时间打交道

  量子网络还必须处理其他实际问题,比如计时。由于目前产生纠缠的方式,它们将需要难以置信的时间同步。

  产生纠缠比发送单个光子更复杂。大多数提议的方案都是从链路的每一端发送一个光子,在中点创建一个纠缠对。

  科兹洛夫斯基说:“这两个节点将向中间的一个站发射光子。”。“这两个光子必须在中间完全相同的时间相遇。公差很小,因为它们到达的距离越远,纠缠的质量就越低。”

  他不是在开玩笑。纠缠需要同步到纳秒精度,时钟抖动为亚纳秒。

  Kozlowski说,交付时间的最佳方式是将其包含在物理层中。但有一个问题:“应该只同步一条链路吗?还是应该将整个网络同步到纳秒级?显然,将整个网络同步到纳秒级是困难的。这可能是必要的,但我直觉上会说这不是必要的,我想将这种纳秒级同步限制到每个链路。

  在更大的范围内,量子网络有着快速运行的世俗实际需求。量子存储器的寿命很短,因为一个量子位只有在与环境隔离时才能持续。

  科兹洛夫斯基说:“总的来说,人们希望尽可能快地完成所有事情,原因很简单,量子内存的寿命很短。”。

  网络化量子系统必须以足够快的速度产生成对的贝尔态,以便在存储的量子位衰变之前完成工作。但制作纠缠对的过程仍然很慢。在这项技术得到改进之前,量子网络系统实现的目标将越少,它们之间的距离也就越远。

  “时间是一种昂贵的资源,”QIRG文件说。“归根结底,正是量子存储器的生命周期给量子节点的扩展网络带来了一些最困难的条件。

  正如温特·瑟夫所说:“谷歌在量子计算机方面正在做一些很好的工作。其他人正在研究保存纠缠的量子继电器。大的问题是保持相干性足够长的时间以得到答案。请注意,尽管量子纠缠具有明显的距离无关性,但量子网络确实存在光速限制。光子在量子网络上移动需要时间。如果纠缠随时间消散,然后光速延迟也会导致这种现象。”

  标准的要求

  如果不坚持标准,互联网就不会是互联网。因此,QIRG将“同质性”标记为一种挑战。最终的量子互联网,就像今天的经典互联网一样,应该也能正常运行,无论你使用的是谁的硬件。

  不同的量子中继器应该一起工作,不同种类的量子计算机应该能够使用网络,就像互联网不会告诉你使用什么笔记本电脑一样。

  目前,连接不同种类的量子系统是未来的目标,科兹洛夫斯基说:“目前,它们必须是相同的,因为不同的硬件设置对它们能够维持的光交互有不同的要求。当它们在光纤上时,它们被转换为电信频率,然后在另一端时又被转换回来。当一个必须在两个不同的设置之间集成时,故事变得更加复杂。”

  他说:“目前正在进行的工作是实现允许不同硬件平台间串扰的技术,但这是正在进行的研究工作。这是一个目标。”。“因为这是一个如此早期的阶段。我们只需要接受我们所面临的限制。很多时候,编写软件是为了解决短期限制,而不是为了实现这些更高的目标,即完全平台独立性和物理层独立性。”

  通讯也必须是安全的。在传统的互联网上,安全是一个事后考虑的问题,因为像Cerf这样最初的先驱者是在一个紧密联系的社区中工作的,每个人都相互认识。

  凭借35年的互联网经验,QIRG从一开始就致力于安全建设。幸运的是,量子密码学是高度安全的——而且几乎从定义上讲,它适用于量子网络。

  除此之外,QIRG还想要一个弹性好、易于监控的量子互联网。

  “我认为科学界和潜在用户参加标准化会议非常重要,”Suchara说。“因为有一些重要的体系结构决策需要做出,而如何做出这些决策尚不清楚。”

  从小处做起

  量子互联网将在本地启动。Riverlane公司的首席执行官史蒂夫·布里尔利(Steve Brierley)说,虽然QIRG正在考虑跨越公里,但量子计算初创公司可以在更小的网络中看到这种用途。Riverlane公司急于连接足够大的量子计算机来做实际工作。

  布里尔利说:“这个概念是构建功能良好的模块,然后将它们连接在一起。”。“就目前而言,这将是在同一个房间里——甚至可能是在同一个冰箱里。”

  布莱利说,这种程度的网络“可能会在未来五年内发生”。“事实上,今天已经有这样的示威。”

  除此之外,远距离量子网络将产生延迟。正如我们前面提到的,这将限制我们可以做的事情,因为量子数据是非常短暂的。

  科兹洛夫斯基说,目前参与的人不多:“硬件目前仍在实验室里,而不是真正在外面。”

  但是,对于那些实验室的研究人员来说,科兹洛夫斯基说:“有很多工作要做”,而且工作“非常复杂。每个人都在突破极限,但当你想把它与经典互联网的规模和范围进行比较时,它仍然是基本的。”

  苏黎世ETH大学的安德烈亚斯·沃尔拉夫教授使用一个实际的管道在两台冰箱之间发送微波信号。

  马克斯·普朗克研究所展示了量子隐形传态,将量子信息从一个量子位传输到50米外的实验室。

  QuTech教授斯蒂芬妮·韦纳(Stephanie Wehner)展示了一种“链路层”协议,它通过底层量子网络提供可靠的链路。QuTech展示了一个量子网络,其中两个节点与一个中间中继器相连。

  在美国的阿贡,苏克拉在创建可靠通信方面的努力无疑是一个小小的开始。他正在研究共享量子态,目前还不打算亲自连接任何量子计算机。

  对他来说,第一件事是让系统充分同步,以处理基本的量子通信:“有了FPGA板,我们已经有了一个在实验室工作的时钟同步协议。我们希望在网络中实现这种时钟同步——我们认为我们项目的第一年将重点关注这一点。”

  Suchara认为远程量子计算即将到来:“即将发生的事情是连接位于不同城市或非常遥远的量子计算机。”

  理想情况下,他认为长链接将使用相同的协议套件,但他承认,短链路可能需要不同的长距离协议:“对于短距离和远程通信,触发通信的中间层可能不同。但我要说的是,构建一个尽可能通用的协议套件是很重要的。我可以告诉你,让经典互联网如此成功的一件事是能够互连异构网络。”

  Suchara已经在研究异质性:“量子信息的编码有不同的类型。一种是连续变量。另一种是离散变量。你可以在连续变量和离散变量系统之间进行混合纠缠。我们想探索允许连接这些系统的理论协议,并进行演示,允许传输这两种类型的量子信息。”阿贡实验室量子链路网络上的纠缠。”

  Argonne group有一个量子网络模拟器来尝试各种想法:“我们有一个协议的工作原型。还有一个模拟器,可以评估替代协议设计。这是一个可供社区使用的开源工具。我们的计划是继续用新功能扩展模拟器。”

  它能走多远?

  由于纠缠产生和中继器的缺陷,以及长光纤上的单个光子最终会丢失的事实,使量子网络延伸到长距离将是困难的。

  “这是一个技术限制,”科兹洛夫斯基说。“给我们足够的时间,硬件就会足够好,可以在越来越长的距离上传播纠缠。”

  不清楚我们能多快到达那里。科兹洛夫斯基估计,实际的基于纠缠的量子网络可能会在10到15年内存在。

  这实际上是一个快速的转变,量子互联网将跳过过去几十年在经典世界中的尝试和错误。从分层协议栈和软件定义的网络开始。

  除了分布式量子计算,这一步将更难实现,因为目前量子计算机主要使用超导或囚禁的离子量子位,而这些量子位本身并不与光子相互作用。

  为什么这么做?

  在这个阶段,这听起来可能太复杂了。为什么这么做?

  科兹洛夫斯基教授解释了量子互联网不是什么:“它的目的不是取代经典互联网。因为,就像量子计算机不会取代经典计算机一样,某些事情在经典上做得相当好。没有必要用量子取代它。”

  一个副产品可能是对经典网络的改进:“在我看来,我们应该利用这一机会来改进经典控制协议的OSI模型的某些方面,”Suchara说。

  “例如,当前互联网的一个问题是控制平面的安全性。我认为如果你重新设计,这是一个很好的机会,可以在控制平面中构建更多的安全机制,以提高鲁棒性。显然,几十年来,互联网在几乎所有可以想象的方面都做得很好,但仍然可以改进的一点是t他控制着飞机。”

  科兹洛夫斯基同意这一点,他指出量子密钥分发是存在的,还有其他量子密码原语,可以提供更好的身份验证和更安全的链接。

  时间的改进也可能带来好处,包括创建更长的基线射电望远镜和其他巨型行星仪器。

  最大的回报可能是分发量子计算,但科兹洛夫斯基听起来很谨慎:“目前还不完全清楚如何进行计算。我们必须首先弄清楚如何在10000台计算机上进行计算,而不是在一台大型计算机上。”

  但是Steve Brierley希望看到大型、实用的量子计算机将高性能计算(HPC)远远超越其目前令人印象深刻的成就。

  Brierley说,多亏了今天的HPC系统,“我们不再‘发现’飞机,我们使用流体动力学设计它们。我们有一个基本物理模型,我们使用HPC来解决这些方程。”

  布莱利认为,如果量子计算机达到工业规模,它们可能会给医学等其他领域带来同样的效果。在医学领域,我们了解物理学,但还不能足够快地求解方程。

  “我们仍在‘发现’新药,”他说。“我们已经破译了人类DNA序列,但那只是一份零件清单。”

  创造一种药物意味着找到一种化学物质,由于蛋白质的形状和电特性,它能锁定蛋白质上的特定位置。但预测这些相互作用意味着求解运动中原子的方程。

  他说:“蛋白质会随着时间推移而移动,这就为分子创造了更多的结合位置。”。“量子力学告诉我们分子、蛋白质、原子和电子将如何随时间移动。但我们没有计算机来解方程。正如理查德·费曼所说,除非我们建造一台量子计算机,否则我们永远不会解方程。”

  他说,一台能够发明任何新药的量子计算机是非常值得的:“如果量子计算机唯一能做的就是优化物流路线,或者解决我们已经知道答案的数论问题,我会感到失望。”

  要实现这一目标,听起来我们实际上需要的是一台分布式量子计算机。为此,我们需要量子互联网。

  责任编辑:张华

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