量子網(wǎng)絡(luò)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子網(wǎng)絡(luò)。量子網(wǎng)絡(luò)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究。研究可逆計(jì)算機(jī)的目的是為了解決計(jì)算機(jī)中的能耗問(wèn)題。

20世紀(jì)60年代至70年代，人們發(fā)現(xiàn)能耗會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)中的芯片發(fā)熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限制了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。研究發(fā)現(xiàn)，能耗來(lái)源于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作。

那么，是否計(jì)算過(guò)程必須要用不可逆操作才能完成呢?問(wèn)題的答案是：所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)都可以找到一種對(duì)應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)，而且不影響運(yùn)算能力。既然計(jì)算機(jī)中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學(xué)中，它就可以用一個(gè)幺正變換來(lái)表示。早期量子網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是用量子力學(xué)語(yǔ)言描述的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，并沒(méi)有用到量子力學(xué)的本質(zhì)特性，如量子態(tài)的疊加性和相干性。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，基本信息單位為比特，運(yùn)算對(duì)象是各種比特序列。與此類(lèi)似，在量子網(wǎng)絡(luò)中，基本信息單位是量子比特，運(yùn)算對(duì)象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。

這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計(jì)算的可能，而且還將帶來(lái)許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子網(wǎng)絡(luò)可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測(cè)量得出計(jì)算結(jié)果。因此，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計(jì)算可看作是一類(lèi)特殊的量子計(jì)算。量子網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一個(gè)疊加分量進(jìn)行變換，所有這些變換同時(shí)完成，并按一定的概率幅疊加起來(lái)，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱(chēng)作量子并行計(jì)算。除了進(jìn)行并行計(jì)算外，量子網(wǎng)絡(luò)的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項(xiàng)工作是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的。

在日前的烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心主任曾宇預(yù)測(cè)2030年人類(lèi)進(jìn)入空天一體化時(shí)代，量子網(wǎng)絡(luò)將會(huì)商用，價(jià)值超過(guò)千億。

上海證券報(bào)報(bào)道，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心主任曾宇在世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)烏鎮(zhèn)峰會(huì)數(shù)字經(jīng)濟(jì)分論壇上表示，在量子網(wǎng)絡(luò)、6G以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)下，人類(lèi)將進(jìn)入空天地一體化發(fā)展時(shí)代。

預(yù)計(jì)到2030年，全球量子網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)商用，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到150億美元以上，將顛覆現(xiàn)有的底層應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)方面，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)Network 2030焦點(diǎn)組已經(jīng)把衛(wèi)星接入作為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的主要特征。

同時(shí)，在中國(guó)、美國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)的技術(shù)人員努力下，6G正在推動(dòng)萬(wàn)物智聯(lián)的發(fā)展。

10月底，研究機(jī)構(gòu)Market Research Future(MRFR)發(fā)布了《6G市場(chǎng)研究分析報(bào)告》，顯示全球有近50%的6G專(zhuān)利申請(qǐng)來(lái)自中國(guó)，其余來(lái)自其他國(guó)家/地區(qū)。

MRFR預(yù)計(jì)，到2040年底，全球6G市場(chǎng)將價(jià)值3400億美元。該報(bào)告進(jìn)一步預(yù)測(cè)，6G市場(chǎng)將在2030年到2040年之間以超過(guò)58%的年復(fù)合增長(zhǎng)率蓬勃發(fā)展。

2019年全球首份6G白皮書(shū)《6G無(wú)線智能無(wú)處不在的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與研究挑戰(zhàn)》發(fā)布。白皮書(shū)中指出，6G的大多數(shù)性能指標(biāo)相比5G將提升10到100倍。在6G時(shí)代，1秒下載10部同類(lèi)型高清視頻成為可能。

量子科技是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。其中，實(shí)用化走在最前列的量子通信技術(shù)，對(duì)于保障關(guān)鍵領(lǐng)域信息安全有著重大價(jià)值和應(yīng)用前景。我國(guó)量子通信技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，產(chǎn)業(yè)化目前也已經(jīng)初具規(guī)模。

據(jù)量子科技第一股“國(guó)盾量子”(688027)公開(kāi)資料顯示，我國(guó)已陸續(xù)建設(shè)了覆蓋京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈等國(guó)家重要戰(zhàn)略區(qū)域，總里程超10000公里的地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)。量子衛(wèi)星方面，我國(guó)先后發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”、世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”，并在北京、重慶、廣州、濟(jì)南等地部署了由國(guó)盾量子研發(fā)生產(chǎn)的小型化量子衛(wèi)星地面站，實(shí)現(xiàn)與上述衛(wèi)星的對(duì)接?；诓粩嗫椕艿牧孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，量子安全技術(shù)已服務(wù)于政務(wù)、金融、電力等行業(yè)，并不斷貼近民用領(lǐng)域。

在中國(guó)量子通信網(wǎng)絡(luò)快速擴(kuò)展的同時(shí)，美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)、俄羅斯等同樣在大力投入。例如，歐盟全部27個(gè)成員國(guó)正在共同建設(shè)EuroQCI——覆蓋整個(gè)歐盟的安全量子通信基礎(chǔ)設(shè)施;俄羅斯正在推動(dòng)建設(shè)總長(zhǎng)度至少為7000公里的量子通信網(wǎng)絡(luò);美國(guó)、英國(guó)、日本、加拿大、意大利、比利時(shí)和奧地利7國(guó)在G7峰會(huì)上宣布將聯(lián)合開(kāi)發(fā)一個(gè)基于衛(wèi)星的加密網(wǎng)絡(luò)——“聯(lián)邦量子系統(tǒng)”(FQS)，利用量子技術(shù)的突破來(lái)防范日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)攻擊等，并計(jì)劃于2023年發(fā)射第一顆FQS衛(wèi)星。

諾貝爾獎(jiǎng)得主安東·塞林格曾表示，量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不是面向未來(lái)的技術(shù)了。人類(lèi)用網(wǎng)絡(luò)來(lái)交換信息，而量子通信網(wǎng)絡(luò)可以保證通信的安全性。這在很多對(duì)安全性要求高的通信中都非常有價(jià)值。隨著技術(shù)的進(jìn)步和使用價(jià)格的下降，量子通信網(wǎng)絡(luò)不僅軍事價(jià)值高，商業(yè)前景同樣巨大。

量子存儲(chǔ)器用于儲(chǔ)存光子的糾纏態(tài)，作為不同鏈路內(nèi)糾纏建立以及糾纏交換過(guò)程的同步裝置，它是量子中繼器能夠?qū)崿F(xiàn)糾纏分發(fā)加速的關(guān)鍵。我國(guó)已利用墨子號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)1200公里的遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)，但尚未引入量子存儲(chǔ)器。

日前，有媒體報(bào)道了國(guó)外學(xué)者把一個(gè)量子比特的信息存儲(chǔ)在晶體內(nèi)并保存長(zhǎng)達(dá)20毫秒的消息，為遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。

就如傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)一樣，未來(lái)的量子信息技術(shù)的發(fā)展，同樣繞不開(kāi)信息的存儲(chǔ)和讀取。那么，這個(gè)至關(guān)重要的量子存儲(chǔ)器究竟是如何存儲(chǔ)量子信息的?量子信息的存儲(chǔ)又難在哪里呢?

比經(jīng)典存儲(chǔ)器更重要

存儲(chǔ)器的功能就是把信息存儲(chǔ)起來(lái)，直到需要用到的時(shí)候再讀出。信息的存儲(chǔ)是人類(lèi)文明傳遞的重要手段，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。伴隨著人類(lèi)歷史的發(fā)展，信息存儲(chǔ)的介質(zhì)也在不斷變化。

人類(lèi)的大腦是信息存儲(chǔ)的最早介質(zhì)，它使得人類(lèi)能夠持續(xù)生存與進(jìn)化。從語(yǔ)言到文字是人類(lèi)文明進(jìn)步的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這一變化使得信息可以脫離人本身，以文字等形式保存并傳遞下去。人們先后使用過(guò)石頭雕刻、繩子打結(jié)、書(shū)本、磁盤(pán)、光盤(pán)等形式的存儲(chǔ)器。

現(xiàn)代數(shù)字信息處理基于二進(jìn)制計(jì)算機(jī)，所以經(jīng)典的存儲(chǔ)器都是存儲(chǔ)比特的，即存儲(chǔ)兩種經(jīng)典狀態(tài)之一：0或者1。大量比特的組合構(gòu)成我們所需要的各類(lèi)信息。經(jīng)典存儲(chǔ)器包括電腦、手機(jī)內(nèi)存、硬盤(pán)以及便攜式U盤(pán)等。

由經(jīng)典信息走向量子信息的時(shí)代，量子存儲(chǔ)器是必不可少的基礎(chǔ)器件。對(duì)比經(jīng)典存儲(chǔ)器，量子存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)量子狀態(tài)。