向光速迈进的量子网络

来源：学术头条

近日，因斯布鲁克的实验物理学家本·兰宁(Ben Lanyon)在因斯布鲁克大学实验物理系和奥地利科学院量子光学和量子信息研究所的团队已经创造了物质和光之间量子纠缠转移的新纪录。他们首次用光缆将量子纠缠传输了50公里，比以前的数字高出两个数量级。本兰宁表示，这是可以开始建设城际量子网络的实际距离。

兰宁团队还表示，他们的方法有望使相距100公里甚至更远的离子发生纠缠。有了100公里的节点间距，人们就可望在未来几年内建立世界上第一个城际光—物质量子网络。

量子网络（Quantum Network）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子网络。量子网络的概念源于对可逆计算机的研究。

与经典计算机不同，量子网络可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子网络对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子网络的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

我们用Trend analysis分析了量子网络领域的研究热点。

上图是当前该领域的热点技术趋势分析，通过Trend analysis分析挖掘可以发现当前该领域的热点研究话题有Quantum Computer、Quantum Communication、Quantum Information、Electromagnetic Field、Jaynes Cummings Model、Optical Fiber、Game-theoretic Security Analysis等。

根据Trend analysis的分析结果我们发现量子纠缠是该领域的研究热点之一。量子理论研究者很早就发现了开启量子通讯的钥匙——量子纠缠。量子纠缠描述了这样一个现象：两个微观粒子位于宇宙空间中的两边，无论相隔多远，只要这两个粒子彼此处于量子纠缠，则通过改变一个粒子的量子状态，就可以使非常遥远的另一个粒子状态也发生改变，信号超越了时空的阻隔，直接送达了另一个粒子那里。

这种神奇的现象和我们生活中所说的“心灵感应”很类似，两个相距遥远的人不约而同地想去做同一件事，好像有一根无形的线绳牵着两个人。这种理论上的超过通讯方式激起了量子科学家们的雄心壮志，他们试图建立起比现在的互联网快千万倍的量子网络。

关于量子纠缠对生命的影响，施一公曾说“量子纠缠怎么样影响我们的生命，其实我们不知道，为什么？因为这不是我们可以用直觉去感受的。很多科学家找了很长时间，发现神经细胞里面的微管可以形成量子纠缠，但是微管的时间尺度是10^(-20)秒到10^(-13)秒，远远小于人的记忆和意识的形成时间。但是他通过理论的实践，以模拟的方式找到了，他正在进行实验验证。比如把磷和钙放在一起，也就是磷酸钙，当磷酸钙以波斯纳分子集群(Posner molecule or cluster)形式存在的时候，它的量子纠缠时间可以长达105秒!能把这样一个极其脆弱的，对声、光、电、热都极其敏感的量子纠缠现象的持续时间提高15个数量级，那么如果再提高5个数量级，就可以达到年的水平，以年为单位来保存量子纠缠现象。那么依此类推，你们觉不觉得，有一天我们人类会发现量子纠缠也是一个可以进化的现象，它可以保存一百年、一千年、一万年。也就是说，量子纠缠，它在远古的时候就存在了，在进化过程中被保存了下来。”

量子网络使计算的概念焕然一新，这是量子网络与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处，量子网络的作用也远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子网络。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。