Algorithm 版 (精华区)

发信人: ssos (存在与虚无·戒酒戒网), 信区: Algorithm
标  题: 量子Internet指日可待
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年11月14日16:27:54 星期三), 站内信件

量子通信技术即将从实验室走向网络世界。量子Internet将以惊人的计算和超快速通信
能力为世人展示其新的魅力。
从幻想到现实
科学家萌发奇想，渴望建立一个新的量子网络。这种网络能够传送宇宙间最奇特的物质
，而且证明它的实用价值将远远超出人们的想象。
这种奇特的物质被称作“缠结”信息。科学家认为，建立一个产生、存储和传送缠结信
息的网络可能是向开发一种科学幻想家虚构的远距传物系统迈出的第一步。这种缠结信
息还能为制造超快速量子计算机，并把它们连接起成量子Internet开辟新的途径。而且
，量子计算机还能破译当前使用的大多数密码，从而帮助研究人员了解量子计算机对人
类世界所起的神奇作用。
所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间的几乎是“心灵感应”的神奇连接；即使粒
子位于宇宙空间的两边，这种连接都能以极快的速度得以实现。缠结信息已经用于实现
量子密码翻译、极小规模的量子计算和远距传物。如果缠结的粒子能够通过量子Intern
et被传送到世界各地，那它们将引发计算、通信和人类认识宇宙的新的革命。
根据“缠结”原理，可以将量子计算机连接起来，构成功能极其强大的数字处理机器。
信息能够以远远超过采用目前的技术在理论上可以计算的速度迅速传向全球各个角落。
想要运行量子计算的任何人都能下载他们所需要的所有的软件。物理学家能够得到量子
物质的“流行”的采样。 这些新的应用中任何一种都足以证明建立量子Internet的巨大
潜力。香农理论的新突破
建立量子Internet面临的一个问题是，量子粒子是脆弱的，容易丢失其信息。也就是说
，只要能看到量子粒子，它就有了被破坏的可能性。所以，建立一个发送量子信息的网
络将要解决过去未曾遇到过的新问题。
建立量子Internet可能意味着重建通信产业的智能基础。但现在，每次电话呼叫、电视
广播和Internet连接都得在很大程度上依赖于香农理论成果。
所谓香农理论成果是指贝尔实验室的香农在1940年奠定的经典信息论的基础。香农理论
解决了任何通信信道的理论容量，即沿着通信信道能够可靠传送最大数量的信息，并阐
述了有效地传送信息的压缩技术。
香农理论还证明了信道噪声的处理方法，即在信道中翻转二进制位。例如，发信人可将
每位重复翻转3次。这种以位的重复翻转处理信道噪声的办法叫做信道编码。
香农通过努力还达到了信道传输效率的理论极限值。下一代移动电话将使用目前开发的
达到这种理论值的信道编码。
但是，香农理论只应用于经典信息论。现在面临的新的问题是，量子缠结信息的出现，
要求香农理论有新的突破，为量子Internet的发展铺平道路。
量子缠结信息古怪得很。例如，经典信息论是0和1组成的序列，通过改变导线上的电压
可以实现这种序列编码。在一定的电压电平之上，二进制位是1，反之则是0。然而，量
子粒子(如光子)中的部分信息的编码具有完全不同的特点。
光子在同一时间有两种或多种存在状态。例如，能够将光子的电场加以滤波，这样它就
在一个特定的平面产生极化振荡现象。当振荡平面变成垂直极化时，此平面称为0。当振
荡平面变成水平极化时，此平面称为1。
然而由于“量子叠加”，光子可能同时垂直和水平极化，所以可能同时为0和1。这种光
子极化称作“4位”，即量子短信息(又称信号位)。
根据叠加原理，采用叠加极化形成的4位可以直接将通信信道容量提高1倍。但是，鉴于
量子信息的奇特的脆弱性，实际情况并非如此。这个问题不仅涉及能够存储的信息的数
量，而且涉及能够检索的信息的数量。解决这个问题的办法是测量光子。通过测量，掌
握量子的变化特性。
就单个光子而言，只能在一个方向测量极化。当进行这种测量时，光子所包含的其余方
向的信息会丢失，不可能被检索到。所以只能从4位中提取1位信息。如此看来，量子信
道发送经典信息的容量不可能超过经典信道的容量。
但是，缠结使这一切都发生了改变。缠结粒子的奇妙之处在于测量1对粒子中的1个，便
能确定另一个粒子的测量结果，而不管这两个粒子相距多远。这种在时间-空间内魔术般
地连接两点，意味着缠结能使网络通信发生巨大变化。
前进路上的辗转跋涉
1992年，IBM公司和TelAviv大学的研究人员所进行的研究显示，缠结对量子信道的容量
有极大的影响，至少它将信道容量提高1倍。
这是因为在量子信道中传送的每个光子都可能有水平(1)和垂直(0)极化两种状态，所以
把1对光子连接在一起就可能变成4种状态之一种：二者垂直极化，二者水平极化，或2个
光子中1个垂直极化，另一个水平极化。就二进制位而言，这相当于00、11、01或10，等
于10十进制位数0～3。也就是说，运用缠结技术1个光子可以发送2位信息，从而使信道
容量提高１倍。这种现象称作量子超密集编码。
最近，应用缠结技术研究量子Internet取得了新的进展。研究人员开始研究粒子3重缠结
和4重缠结的更复杂的特性，使粒子实现更多的组合状态，从而使量子信息以极快的速度
通过网络。
但是，这种极快的信息传送速度的实现，要建立在纠正量子网络中可能出现的错误的基
础之上。量子缠结状态是脆弱的，以致任何外部影响力都可能对它们产生破坏作用。因
此，许多物理学家误认为不可能可靠地传送量子信息。但是在最近，IBM 和微软的两位
研究人员对量子缠结状态的脆弱性问题提出了一个完善的解决方案。
这两位研究人员的解决方案是利用执行量子计算的软件保护量子信息，使量子信息不至
于产生错误。而且，这一解决方案得以实现的关键要素是粒子缠结。
这两位物理学家的解决方案所依据的理论基础是远距传物。研究人员依据远距传物理论
，对要传送的4位信息进行测量，并同时测量1对缠结粒子中的1个。通过测量，对1对缠
结粒子中的另一个传送4位信息中的部分信息，从而使原来的4位能够重构，传送更多的
量子信息。
量子计算只不过是一种量子状态作用于另一种状态的结果。通过以特殊方式比较缠结粒
子对的状态，远距传物所得到的可能是根据原来的4位执行计算的结果。
有关研究表明，只要对数据执行一定程度的一系列计算，就可纠正量子错误。所以，根
据量子远距传物的理论，研究人员可以从某个量子网站下载一组预先制作的“纠错缠结
光子”。
据研究人员预测，缠结的粒子对终将会成为通过量子Internet从事计算的研究人员利用
的商用资源。例如，研究人员如果需要控制复杂的量子组合状态的软件，则可以从量子
Internet下载该软件，而不用研究人员自己去编写。随着量子软件产业的蓬勃发展，软
件制造商可以设计特别有价值的量子组合状态的软件，并可制作和存储多个拷贝，并可
让用户免费下载。
这样的量子软件开发模式可以让拥有一般量子计算能力的软件制造商下载相当多的计算
资源。而且，由于缠结光子具有组合状态可以改变的特点，商业公司便可以利用这一特
点开发供保密通信下载的量子软件。
量子Internet的全球实现
业界人士认为，量子Internet有可能是全球远程传送分子信息的最理想的工具。目前，
研究人员只能远程传送简单的信息，如光子的量子状态信息等；进一步的研究则意味着
使用更复杂缠结组合。这样，量子Internet及量子软件不仅是研究人员远程传送原子、
分子信息的工具，而且它必将成为人类社会生活的极其重要的组成部分。
研究表明，只要能从量子Internet中分离出实用性，量子Internet就可以在全球实现。
因此，一些国家研究机构和政府机构为量子Internet的实现做出了努力。奥地利的因斯
布鲁克大学的研究人员于1997年提出了第一个量子Internet计划。今年3月， 美国麻省
理工学院和马萨诸塞州林肯空军研究实验室的研究人员提出了更加接近实现量子Intern
et的设想。他们的设想是生成一对光子，并沿着2条光纤传送，即一个光子传送给甲地的
研究人员，另一个传送给乙地的研究人员。甲乙两地的研究人员都拥有包含超冷却原子
的激光俘获器，而原子能吸收光子。 研究人员可以确定原子何时吸收光子而不会干扰它
，并在原子吸收缠结的一对光子时检查甲乙两地研究人员能够发现的同时吸收的光子。
当确定原子确实吸收了光子时，原子本身也就变成了缠结的粒子。而且，甲乙两地此时
能够共享1对缠结的粒子。当原子没有电荷时，它们不受电场和磁场的影响， 这样就容
易保护缠结的粒子不受外力的影响。在Internet发展史上，缠结第一次成为研究人员能
够利用的极其珍贵的网络资源。
研究人员可以从量子Internet上下载“流行”的量子软件，并可用它来传送其信息。科
学家只要按比例扩大量子计算机执行有效计算的能力，就可以利用一对原子在量子微型
计算机之间传送量子信息。
缠结还可以大大提高量子计算机的计算能力。这是因为今天的量子计算机基本上是处理
量子信息但不能共享这种信息的单个分子，但是许许多多的量子计算机的并行连接，可
以执行大量的量子计算。像今天的Internet一样，量子Internet可以在世界各地的计算
机上执行大规模计算，但速度要快得多。
鉴于量子Internet的这种新的计算能力，美国陆军向麻省理工学院的一项研究计划投资
数百万美元以加速量子Internet的研究开发。最近，麻省理工学院发布了建立量子Inte
rnet的详细计划，并宣布现已具备建立量子Internet的技术。因此，该计划打算在3年内
建成量子Internet， 并首先在麻省理工学院建立3个节点。
业界人士分析，全球量子Internet实现指日可待。因此，一些大的软件公司和网络公司
已开始考虑从资金投入和技术开发上着手，积极推动Internet的全球实现，从而以强者
姿态迎接量子Internet这一新的商机的到来。

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<<社会契约论>>是一本好书,应当多读几遍
风味的肘子味道不错,我还想再吃它      

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