葱一根 - one sat on Nostr: 8 量子网络 ...

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量子网络

本章涵盖了使用量子特性的量子器件所做的网络。第6章中涉及的抗量子加密和第7章中涉及的基于量子的加密当然可以而且经常被使用，但不是基于量子的网络的必要条件。量子网络有其自身固有的挑战，各种公司和国家已经追求了十多年。现在，量子霸权即将成为现实，寻找可持续的量子网络模型的热潮正在聚集。具体来说，本章将涵盖量子网络组件、挑战和可能的应用。
网络是使用约定的通信协议将信息和内容通过某种传输介质（无线、有线或其他方式（例如，基于人类的网络）从源移动到目的地。量子网络使用量子设备、属性、算法和协议在网络上传输（量子）信息。与所有其他量子技术一样，量子网络使用量子特性的全部开局，尽管您将听到关于叠加、纠缠和不可克隆定理的大多数讨论。量子网络可以连接更多物理上分散的量子设备，成为一个更强大的集合，并促进信息和内容的传输（包括量子隐形传态）。如果操作正确，量子网络承诺一个更安全的网络，比今天的非量子方法更不受未经授权的窃听。

量子网络组件

与任何网络一样，量子网络由传输介质、协议和网络设备组成。量子网络可以由经典和量子成分组成，也可以是纯粹的量子网络。

传输媒体

传输介质包括物理电缆和自由空间介质。

光纤电缆

量子物理联网主要使用光子，光通常通过光纤电缆传输。在一些实现中，已经用于基于光的经典网络的普通（高质量）光纤电缆也可以用于量子网络。所有实现者所要做的就是改变用于发送和接收信号的仪器。而不是发送长波的光，被编码和解码成二进制表示，单独的光子被使用，编码是在每个涉及的光子的单个量子特性。其他时候，特别建造，超高质量的光纤电缆被创建和部署。量子网络光缆更能抵御外部影响，内部对变化也更敏感，这正是量子网络所需要的。电缆量子传输通常不到100公里长，尽管已经创建了更长的网络。
从理论上讲，发送每个量子位元只需要一个光子，这种方法提供了最简单的内在安全性。但在现实世界中，单光子量子位元在网络中传播得越远，就越容易被阻塞、丢失和解相干。在许多量子网络中，多个光子被创建、编码和传输，代表相同的信息量子比特，以增加所代表的单个量子比特成功地从源到目的地的机会。然而，这会导致安全问题。在下面的纠缠净化一节中有更多关于这方面的内容。
根据所涉及的量子网络设备的类型，使用不同波长的光。通常钻石、晶体和其他宝石和材料被用来产生不同的波长和颜色。它们可能被故意掺杂缺陷或选择特定的自然缺陷，以创建可用于量子网络的所需特性。
注：在钻石中发现的最常见的缺陷之一，不只是量子网络，被称为氮空位中心。钻石通常都是由碳原子组成的，但有时候一个氮原子会被扔进钻石的碳晶格中心。碳和氮在元素周期表中是紧挨着的，一个氮原子比一个碳原子多一个电子。这创造了一个“额外的”，非常有用的，自由浮动的电子，可用于量子计算和通信（其中许多用途）。虽然太多的碳缺陷对珠宝爱好者来说是不好的，但它们对于创造额外的可用颜色和波长以及操纵亚原子量子特性是很好的。关详细信息，请参阅https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen-vacancy_center.

自由空间媒体

自由空间媒体包括不绑定到物理对象的任何传输媒体。最常见的量子自由空间传输介质是某种类型的电磁波，包括微波、激光束和声波。量子传输可以从地面发射站和接收站进行点对点传输，也可以从地面站到卫星再返回，或者以其他混合方式进行传输。自由空间媒体传输更容易受到外部影响。
一个量子卫星实验已经展示了将纠缠光子发送到1200公里以外，并从超过2万公里以外的卫星发送单光子。与今天的传统网络一样，量子卫星网络最常被视为连接分布式地面网络和移动系统的一种方式，尽管量子网络在某些类型的卫星上有特殊的应用（在下面的量子网络应用部分中介绍）。
将量子光子发射到20,000公里外的高轨道卫星上，既困难又昂贵.如果你认为试图通过受保护的光纤电缆传输单个量子比特是困难的，那么想象一下，试图成功地通过无保护的空间传输同一个量子比特，沿途每秒钟都可能遇到数万亿其他量子粒子。已经做到了，但并不容易。
中国已经成功地试验了使用相对便宜（且较低）的飞行无人机在两个地面节点之间发送和接收量子信息。这种方法可以用来连接几百公里外的地面站。一旦相关问题得到解决，自由空间介质将可能成为广域物理量子网络工作和扩展的方式。

距离与速度

所有的网络及其材料和设备都受制于自然界的物理法则，这些法则决定了它们传输信息的距离和速度，即使使用最好和最有效的设备也是如此。量子网络也不例外，尽管其中涉及的物理定律可能看起来更奇怪。这些定律决定了量子网络能走多远、多快，至少在没有中继设备的情况下（除非有一些新的、目前未知的、史诗般的发展与之相反）。一般来说，量子网络越长，信息的传输速度越慢；反之亦然。根据所使用的传输介质，两者都有理论上的最大值。

绑定的LOB

一个被称为皮兰德拉-洛伦扎-奥塔维亚尼-班奇（PLOB）束缚的量子物理定律（https://arxiv.org/pdf/1510.08863.pdf)说，在没有额外中继器的情况下，量子位在任何已知的点对点、双向、单网段上传输的最大速率等于log2（1 x），其中x是网络传输的信道的透射率。透射率是任何介质允许物体通过的（最大）程度/速度/长度。每一种传输介质在物理上只能允许某些东西（如电、光、电磁辐射等）以一定的速度通过它传输一段特定的距离，然后被传输的物质开始降解或完全停止。
PLOB界设定了一个没有中继器的点对点量子网段的速度和长度的最大理论速率，因此最大距离单个量子中继器或网段可以根据传输介质来传输信息。它设置了一个上限和/或更快任何量子网络可以（没有中继器）用于量子传输，包括光纤电缆和卫星链路。它甚至考虑了量子纠缠，并讨论了自然熵如何限制纠缠。由于环境和物理抵抗问题，实际网络不太可能获得理论PLOB界定义的最大速度和距离。
但是量子网络供应商正在努力增加他们的设备可以在单个网段上工作的最大距离和速率。大多数量子网络设备供应商测试他们的设备在一个范围内的距离和速度，许多公布这些数字，使客户可以看到他们正在考虑购买的性能明智和比较购物的目的（无论是在自己的产品线或与其他竞争对手的产品不同的设备型号）。你通常会看到一个商业量子网络相关的设备供应商分享以下数字在最低限度：最大传输损耗(以分贝为单位)，最大传输通道长度(以公里为单位)，以及各种速度等级，例如在50公里处的1.4千比特的密钥产生。速度额定值总是会随着距离的增加而下降。关于量子网络距离与速度的白皮书可以在这里找到：https://www.nature.com/articles/s42005-019-0147-3.pdf.
在每一个量子网络中，需要额外的设备和机制来将网络传输的量子比特转换到最终的目的地设备上，无论它们是什么。在古典世界中，这些设备通常被称为网络接口卡。在量子世界中，它们通常被称为光开关、分束器、检测器或中继器（下文将更详细地介绍）。

点对点

目前几乎所有的量子网络传输类型都是点对点的，这意味着从一个位置直接到另一个位置，源到目的地。网络传输介质不是共享的，也不是分布式的。基本上只是描绘一个从起始节点运行到目标节点的字符串。为了将量子网络扩展到更多的节点，增加了额外的点对点连接。
这是由于几个原因，其中最不重要的是量子比特不想被共享（例如，不可克隆定理），保持量子信号与外部世界隔离的难度，成本（点对点链路更便宜），以及实现非点对点网络连接所需的纯粹复杂性。共享的、基于云的网络安排是量子网络中备受追捧的圣杯。当然有一天它们会成为标准，但现在单点到点连接会危及大多数量子网络。一个更小的，但数量不断增长的量子网络正在增加点对点段的数量，最终创建一个更大的，有时是城域网。
这种“先走后跑”的网络分布模式可以比喻为早期的经典网络。早期的第一个网络是点对点、拨号模拟电话连接。最终，传统的网络成熟到这样一个点：共享的“穿梭令牌”接收和丢弃比特（例如，令牌环等）。或者媒体可以被多个节点共享，并且频繁地重发（例如以太网）。互联网连接过去是点对点的，需要外部电话拨号（例如，RJ-11模拟，ISDN，帧中继等），但最终成熟的模型，我们今天所有的房子或节点必须做的是连接到许多邻里聚集点（基于互联网服务提供商）或卫星上行链路之一。这通常被称为“最后一公里。” 邻里连接钩到更大的广域网，然后钩到全球互联网。现在，几乎任何人都可以在几秒钟内将网络数据包发送到世界各地。毫无疑问，总有一天量子网络会扩展到我们今天所习惯的房子/节点模式。但我们还处在量子网络的早期阶段。目前，大多数量子网络都是点对点的私人实验，并且通常包含中继器来扩展它们的最大传输长度。有两种基本类型的量子中继器。

可信中继器

在传统的网络世界中，中继器所要做的就是捕获、重新放大和重新传输所有捕获的比特。它可以在物理层面上做到这一点，基本上就是以接近光速的速度检测和重新传输电流。然而，不可克隆定理意味着信号的复制和应用不能在量子网络上轻易完成。量子信息总是可以被读取（将其解码为经典二进制），然后被重新编码到下一个量子网络段，并作为新的量子比特发送出去。这是目前最常用的量子中继器方法。
使用这种方法的关键问题是，任何人都可以完全放心，中继器读取和重新编码的信息是准确地做工作，没有无意或故意的恶意畸形？在纯量子世界中，量子力学提供了信任。您不需要信任任何中间设备，因为如果有人篡改或窃听它们，可以立即检测到这种干扰。但是，当并非所有的重复设备都是完全量子的，就像今天的量子网络中经常出现的情况一样，必须以另一种方式来确保信息的安全传输。
答案是创建一个所谓的可信中继器，其中信息使用量子编码来保护，由一个或多个每个人都信任的安全中继器连同多组基于量子的加密密钥一起发送。例如，假设我们有一个量子网络试图将量子信息从起始点A到目的地点Z，中间有可信中继器R（如图8.1所示）。双方都必须信任R方能安全。
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图8.1使用可信中继器的量子网络
A和Z将各自单独创建量子密钥（使用第7章中所述的量子密钥分发），以用于加密和安全地传输其他密钥可以进行实际的数据加密。让我们称之为AR和ZR键。他们将只与R共享AR和ZR节点然后，A将创建一个数据加密密钥，用于它自己和Z之间（姑且称之为AZ键）。节点A将用AR密钥加密AZ密钥并发送到可信中继器R。R将解密A发送的密钥，用ZR密钥重新加密，然后发送到Z节点。Z节点将解密，现在安全地获得A创建的AZ密钥。当A和Z想要发送数据给对方时，他们将用AZ密钥加密数据，然后发送给R。R将读取/解码加密的量子数据（保持其加密状态），重新编码，并重新发送到另一端。显然，在初始AZ密钥交换期间，R必须是安全和可信的，以便保持所有内容的安全性。Kak三阶段密钥交换（如第7章所述）也将工作，而不必明确地信任中继器，但信任中继器模型是当今大多数扩展量子网络中使用的主要量子中继模型。

真量子中继器

在整个网络传输中保持纯量子性的一个更好的主意是使用量子纠缠和隐形传态（如第5章所述）。如果量子态可以以其原始量子态从源传输到目的地，为什么还要担心读取/解码量子数据并重新编码呢？我们仍然需要中继器，因为单个点对点网段所能达到的距离还是有一个最大值的，但至少在使用中继器的时候，它可以使数据保持在原来的量子状态，而不会对数据进行解编码。使用真正的量子中继器也意味着允许固有的量子特性提供保护，防止不必要的窃听。使用真正的量子中继器，您可以获得基于量子网络的可信中继器所无法提供的准确性和安全性。
真正的量子中继器使用量子隐形传态在片段之间传递量子信息。正如第5章所述，量子隐形传态是使用一个或多个纠缠量子比特来传输量子态的一种间接方式。为了概述量子隐形传态，首先，必须创建纠缠量子粒子，并将其带到它们的源和目的地区域。然后在源量子粒子中添加一个额外的量子粒子(S)，并进行测量以记录差异。然后将这些差异(使用许多不同的经典方法中的任何一种)传送到目标区域，并使用目标纠缠粒子来重建所需的量子比特。一旦测量到目标量子比特，纠缠就被打破了。
附注：如第五章所述，隐形传态（至少是目前，如果不是永远的话）不允许超光速的传输，因为没有任何东西可以超过光速，即使是量子隐形传态也不行。此外，量子隐形传态总是需要经典的传输方法来将源端的变化传输到目的端，这意味着量子隐形传态从定义上讲永远不会比经典方法更快。
利用纠缠的量子中继器已经成功实现，并且很可能是未来成熟量子网络的首选。当然，有很多问题，尤其是人类制造的纠缠光子非常容易被打破。在早期，我们无法让纠缠的量子位元彼此之间的距离超过几毫米，即使在现实世界中，我们相当确定纠缠光子彼此之间的距离是光年。今天，我们已经成功地展示了在长达至少50公里的量子网络中使用量子纠缠和中继器。
这不容易。目前在实验室和计算机上产生的纠缠光子类型往往会因为退相干而消失，尤其是它们通过网络传输的时间越长。随着网络的延伸，它们更有可能消失在环境的噪音中。量子信息科学中有一个完整的分支，专门研究纠缠保真度和纠缠优化。一种解决方案是将来自捕获离子量子计算机的纠缠光子（通常在沿着光纤电缆发送时不会持续很长时间）通过一种特殊设计的晶体发送，该晶体将纠缠光子的波长转换为更有可能成功传输的波长。事实证明，量子计算机中产生的量子比特并不是通过网络传输的最佳选择。这种方法将量子位元转换成另一种更适合在网络上传输的状态，而不必先将量子位元从量子态中解码出来。

纠缠交换

另一个被广泛研究的量子中继技术是纠缠交换。本质上，这是一个“如果A信任B，B信任C，那么A信任C”的解决方案。让我们假设我们有节点A和Z，表示源和目的地，如图8.2所示。节点A与量子中继器有量子纠缠，我们称之为R1。节点Z与量子中继器上的另一个光子也有量子纠缠，我们称之为R2。节点A使用纠缠R1将量子信息传送到量子中继器R。量子中继器获取自身和节点A之间进行隐形传态所需的相同差分信息，并在自身和节点Z之间重新传输。节点Z使用纠缠R2和传输的差分信息，可以重构由节点A传输的信息。
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图8.2代表纠缠交换
目前已经有成功的纠缠交换实验，它很可能是未来的量子中继器方法。目前，有效的纠缠交换已经被证明在节点之间长达1.3公里。有了足够多的量子中继器和量子交换，我们可以创建一些看起来非常像我们的互联网的东西，但在一个纯粹的量子状态。

量子网络协议

每个网络都需要协议。网络协议是在两个或多个参与节点之间传输数据的预先约定的方法和格式。目前还没有人知道最终的量子网络协议会是什么样子，尽管已经有一些标准开始被提出和测试。一群量子研究人员创建了一个正式的互联网草案（https://tools.ietf.org/pdf/draft-dahlberg-ll-quantum-02.pdf)定义可能成为量子互联网的链路网络层。
附注：（数据）链路层是一个公共的抽象网络协议层模型的底层。在最常见的开放系统互连（OSI）模型中，所有的网络通信都可以定义为存在于七个相互依赖的堆叠层之一：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。链路层帮助从两个直接通信的节点获取数据（以数据报的形式）。它处理纠错（这是由于物理层），以及通信信道的建立和拆除。在传统网络中，以太网网桥和交换机在这一层起作用。
在量子网络中，链路协议将涉及到帮助两个量子节点通信，包括使用纠缠，特别是纠缠交换（前面介绍过）。协议设计者希望使任何三个参与节点更容易发起纠缠交换，目标是更容易地允许无数的长距离网络充满纠缠交换，创建完全网状的、分布式的、类似于我们今天的量子网络，尽管有更多的内在防御窃听。
量子链路层的主要任务之一是帮助节点传输预期的纠缠量子比特，以允许通信。正如你在第一章中所记得的，创建/测量量子属性是概率性的，这意味着你永远无法完全预测任何单个量子操作的结果。你只能沿着一系列的尝试来预测特定结果的可能性百分比。例如，您需要沿着网络发送一个“1”作为量子信息。你不能在第一次尝试时就确定性地创建一个代表“1”（由协议定义）的量子位，这在经典网络中很容易做到。你不能现在说“我需要一个代表‘1’的量子位”，然后神奇地让你创建的第一个量子位保证是“1”。但是，你可以创建一个或多个量子比特，直到你得到一个代表“1”的量子比特。“请记住，如果你直接测量一个量子位元，你会将它解码成一个非量子态，这一事实使得测量变得更加困难。同样地，你也不能保证第一次尝试就能立刻创造出纠缠量子位元，而且是正确的纠缠量子位元。量子是概率性的，不是确定性的。
量子链路层协议就是专门为帮助解决这个问题而设计的。物理层仍然必须最初创造出正确的纠缠量子位元（这可能需要一次或多次尝试）。链路层将保证量子比特是“正确的”量子比特，并且它们是纠缠在一起的。链路层将允许节点丢弃“错误”的纠缠量子比特，重新创建和重新传输“正确”的纠缠量子位，并告诉节点区分“正确”的量子位和噪声。
要做到这一点，链路层要做几件事，包括创建和使用一个预示信号，这表明一个纠缠的量子位对已经被创建，并为每个纠缠的量子位组分配一个逻辑“纠缠标识符”。这使得各个节点能够跟踪“正确的”纠缠量子比特对，因为它在节点之间交换。更高的量子网络层可以通过发送CREATE消息来请求纠缠对，然后链路层与物理层一起工作来创建设计的纠缠对。链路层用ACK（即确认）或OK来响应上层。ACK响应告诉上层链路层已经接受了它的请求，并且已经安排了生成纠缠对的时间。它还包括一个CREATE ID，这样每个人都可以准确地跟踪所请求的纠缠对。OK表示所请求的纠缠量子比特已经创建。
甚至还有good和time of good值，这些标签是我在其他网络协议标准中没有见过的（不过说句公道话我不会把所有的空闲时间都花在阅读网络协议上）。善良值表示纠缠对的强度（协议和量子纠缠理论也称之为保真度）。良态时间是对脱粘之前纠缠应该保持多久的估计。这很重要这样参与的节点就知道他们要传输多长时间/交换纠缠到另一个节点之前，纠缠键变得不可靠。还有许多其他字段和类型的信息在链路层和上层之间来回发送。图8.3显示了当前提案草案中定义的K类链路层OK消息的结构和组成。量子链路层协议是由欧盟旗舰量子技术，量子互联网联盟的一部分（在下面的量子互联网部分介绍）。
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图8.3量子链路层K型OK报文的结构和组成
链路层处理使得量子纠缠和交换变得简单可靠。网络层确保传输的纠缠量子比特在整个网络中从源端可靠地传输到目的端。传输层处理通过网络传输的量子比特，从纠缠层或网络层分离，并将结果交给应用层。提议的量子网络堆栈的较低层看起来类似于图8.4。
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图8.4提出的较低层量子网络堆栈表示
模型的上层本质上是应用层，如果下层已经完成了自己的工作，上层就不必担心量子位传输的可靠性。需要它们时，它们就出现。目标设备和应用程序只是抓住它们。小菜一碟。
当然，没有一个量子网络堆栈是超出了提出的理论和个人实验尚未。但是已经证明了使用所提出的协议消息在不同类型的量子设备之间交换信息的网络通信。总的来说，许多人已经在试图弄清楚如何使量子网络通信，包括纠缠和交换，常规和可靠的想法应该给每个人很大的安慰。它不仅向你展示了量子信息科学总体上正在走向成熟，而且在技术允许的情况下，它将是可靠的。
量子网络协议的更多信息请参见：https://arxiv.org/pdf/1903.09778.pdf%3E, https://arxiv.org/pdf/1904.08605.pdf和https://tools.ietf.org/pdf/draft-van-meter-qirg-quantum-connection-setup-00.pdf.

纠缠净化

目前，量子纠缠和交换并不是一件容易的事情。你首先从量子的概率性开始，然后尝试创建纠缠对，然后可以使用QKD、可信中继器或量子中继器在网络上发送。几乎一路上的一切（即外部环境）都在试图以一种有用的方式挫败量子信息的传输。任何发生在物理层或链路层未捕获的错误都将沿着网络和网络堆栈的其余部分传播。减少错误的一种方法是使用链路层，它处理来自物理层的错误检测，并使用重传来帮助在整个网络链上创建可靠的量子纠缠和交换。
另一种方法是在起始点创建多个相同的量子纠缠对，其想法是通过创建更多的量子纠缠对来使至少一个量子纠缠对更有可能最终到达终点。举例来说，或许起始节点会产生20对相同的纠缠对，每对代表相同的量子位元资讯。假设原始的20对中有10对最终到达了目的地，但“相同”的3对是不同的。大多数逻辑观察者会说，与少数的3对相比，7对相同的量子对所代表的量子位值更有可能正确地代表原始的量子位属性。使用多个相同的量子比特纠缠对来创建更精确的网络传输的过程被称为纠缠纯化。长期目标是“减少”所需的重复副本的数量，使其减少到更少的副本，同时具有更好的保真度（即准确性）。有许多科学家致力于纠缠纯化和保真度，就像量子科学家试图通过量子纠错来减少量子计算的量子比特错误，其最终目标是增加量子网络的长度和可靠性。

量子网络应用

我们为什么需要量子网络，它有哪些应用？
注：本节重点介绍量子网络的优势，而不是单个量子计算机和运行在其上的应用程序（第5章将介绍）。

更安全的网络

首先的，也是最重要的是，量子网络因为不容易被窃听，所以具有内置的、固有的保护，这是经典网络永远无法做到的。这并不是说量子网络不能被窃听（没有什么是不可破解的），但默认情况下，与经典网络相比，量子网络更难被窃听。毫无疑问，人类将搞砸量子网络的实施，并留下许多黑客会发现和利用的大漏洞。但是，当这些漏洞被堵住时，量子网络的默认状态将更难被破解，这是一个巨大的好处。
附注：世界上所有的政府和执法机构都在反对任何默认的加密渠道，因为这可能会使在进行调查时更难（合法地）收集不法行为的证据。在世界大部分地区，网络供应商必须为执法部门提供窃听其控制下的任何网络通信流的方法。当底层技术默认防止窃听时，了解如何处理这些窃听需求是很有趣的。网络供应商或执法机构有可能无法监视某人，而且如果不摆脱网络上某个点的量子性，他们在技术上可能无能为力。社会如何平衡量子安全和合法执法需求，这将是有趣的时代和挑战。

量子计算云

量子计算有望解决我们几千年来一直在寻求解决的问题。它将使我们能够更好地理解我们宇宙的本质，预测未来，并创造出我们目前无法想象的产品和服务。现在想象一下，如果能收集尽可能多的量子计算机，并让它们处理同一个（或多个）问题，那该有多好。一下子就完了。这就像是有许多“爱因斯坦”一起工作，而不是只有一个。量子计算云是一个量子超级计算机网络的集合，协同工作，以更快地解决更多的问题。量子计算云是关于更快的协作。

更好的时间同步

有许多应用需要非常精确的时间。我们已经有了非常非常精确的时钟。它们被称为“原子钟”，它们已经非常精确，每十亿年误差不到一秒（https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock).剩下的挑战之一是获得最准确的时间到一个非常遥远的依赖设备，或确保在一个特定的服务或网络中的每一个依赖设备具有完全相同的时间。传输时间需要时间。
量子网络不能提供更快的时间传输（记住，经典事物的速度已经接近光速，而量子力学很可能无法超越光速，除非我们的基本理解发生改变）。但是量子网络能做的是在依赖的设备之间提供更好的时间同步。由于量子器件和量子网络在进行时间纠错/同步时可以考虑更多的时间同步因素，因此在任何大的网络中，同步的时间漂移都会更小。
例如，我们的全球定位系统（GPS）使用一系列轨道卫星来工作，GPS接收器可以使用这些卫星来确定它们的地理位置。为了正确地确定GPS接收器的位置，GPS卫星和接收器必须具有同步的时间。所有设备上的时间保持越准确，与所有相关方同步的时间越准确，GPS接收器检测其位置的准确性就越高。
GPS卫星上有原子钟，尽管它们很精确，但如果没有时间同步，它们每24小时可能会损失10纳秒（https://www.insidescience.org/news/quantum-way-synchronize-atomic-clocks),纳秒等于大约一英尺的距离差。正因为如此，GPS时钟的时间被更新，使其在一年内不会丢失哪怕一纳秒。GPS时间同步服务不断成熟和更新，以保持尽可能准确的卫星。早在2000年，GPS接收器只能精确到5米/16英尺之内。今天，由于全球定位系统技术的改进，包括时间同步，全球定位系统接收器可以跟踪他们的位置在30厘米/11.5英寸。量子时间同步只会使GPS系统更加精确。
虽然所有的原子钟最终都是基于量子力学，但GPS卫星使用的时间同步网络是经典的。这意味着实际起作用的微小量子特性必须被解相干到我们的经典世界，然后再以经典方式传输。但量子时间同步跳过了转换步骤，保持量子状态，并允许时间同步更加精确。
这意味着未来的GPS读数可以用毫米来测量，而不是厘米，或者至少只有几厘米而不是30厘米。总而言之，这意味着一切依赖于GPS可以更准确地知道它在哪里更频繁。这不仅意味着你在开车时不会错过你的左转，而且量子系统将能够更准确地跟踪我们在一二十年内将拥有的数亿辆自动驾驶汽车。这意味着人们在高楼林立的城市里行走时，将能够更准确地判断出自己站在哪扇门前，应该进入哪扇门。工程师将能够更精确地进行测量，等等。基于量子的时间同步将使每一个依赖的时间服务更加准确和成功。
附注有趣的是，多年来，量子钟被认为是可能的最精确的原子钟，但光学晶格钟现在已经取代了他们的精度记录。但是，即使是基于光晶格时钟的定时装置也可以受益于量子时间同步。

防止堵塞

甚至在20世纪40年代之前，奥地利/美国女演员海蒂·拉玛和她的共同发明者乔治·安泰尔发明了一种新的方法来防止无线电鱼雷的军事干扰（他们发明了跳频扩频作为干扰防御），世界各国的军队既试图干扰敌人的无线信号，也试图使自己的通信方式更不受干扰。一般来说，反干扰防御系统将控制指令合并到一系列调制频率/信号变化中，敌人无法弄清楚如何模拟或阻止。
干扰器尽最大努力找出信号是如何被传送到受控设备的。如果他们能弄清楚所有快速的频率变化，他们就能重建控制指令，了解它们是什么，甚至有可能重新编程一个设备来使用他们自己的。在战争中，对手可能会将敌人的导弹或鱼雷发射回发送方。这不是猜测。在第二次世界大战中，这样的事情时有发生。
干扰器甚至不需要弄清楚敌人的控制信号是如何工作的。所有他们需要做的是阻止所有可能涉及的频率，这将防止无线设备获得新的或更新的指令。在大多数情况下，一个卡住的设备，如导弹或飞行无人机，将进入一些默认模式，如继续飞行在最后一个课程的位置或飞回家。当今的军事系统充满了干扰和抗干扰技术。
武器研发人员一直在努力使他们的武器更抗干扰，干扰器也不断想出新的方法来干扰他们的控制系统。这有点类似于密码攻击者可能试图找出一个秘密代码，而密码学家试图改进他们的密码以防止成功的攻击。
由于量子网络具有叠加、纠缠和不可克隆的固有特性，因此非常适合创建防干扰信号。使用量子网络的量子设备将更有可能产生更复杂的、抗干扰的控制信号，并忽略敌人的背景干扰信号。因此，即使敌人在一次又一次的干扰尝试中，在数千个可能的频率上发送了一百万个错误的频率变化，一个基于量子的设备也更有可能找出哪些命令是合法的，哪些只是作为背景噪声而忽略的。
防止干扰不仅仅是军事用途。它还可以防止攻击者干扰手机通话和Wi-Fi网络流量，甚至可以阻止攻击者试图向自动驾驶汽车发送错误指令。防止干扰使我们所有人的生活更容易，量子网络可以帮助做到这一点。

量子因特网

量子网络的圣杯是现有经典互联网的一对一替代品。就像传统的互联网一样，一个量子互联网很可能从一个独立网络的大杂烩开始，从资金充足的军队、政府和大学网络开始，然后扩展到帮助连接其他所有人。数以百万计的互联网量子设备最终将形成一个巨大的全球计算云。它将更难妥协，更难堵塞，并将允许我们的世界享受我们注定要一起看到的所有量子改进，就像今天的互联网已经为我们使用经典网络所做的那样。
注：一个名为SimulQron（http://www.simulaqron.org/)的东西，是一个模拟器，帮助开发量子互联网软件（https://arxiv.org/pdf/1712.08032.pdf).
有几个团队和联盟正在朝着量子互联网的方向努力，包括欧盟的量子互联网联盟（https://twitter.com/eu_qia)项目中。量子互联网联盟首先在荷兰的四个城市开展示范项目，包括阿姆斯特丹、莱顿、海牙和代尔夫特。它包括创建大型量子广域网所需的所有组件，预计到2020年投入运行。然后他们想把这个项目扩展到整个欧盟。

其他量子网络

目前，所有现有的量子网络都是相当有限的和实验性的，即使每天都有更多的收获。2018年，以光纤为基础的QKD在421公里/261英里的范围内被成功地展示出来。大多数现有的商业销售的QKD系统的最大传输距离为100公里/62英里，所以这个实验网络是它的四倍多。预计量子QKD系统将不断扩大它们可以传输的距离。
中国特别关注量子信息科学的网络方面。2016年，中国发射了第一颗基于量子的通信卫星micius(https://www.bbc.com/news/world-asia-china-37091833)，。当卫星在上空飞行时，它使用QKD安全地向相距7500公里/4700英里的北京和维也纳的地面站发送单独的秘密密钥。然后，它创建了第三个密钥，供所有各方共享。它用地面站先前发送的各个秘密密钥加密了第三个密钥。然后，每个地面站可以解密共享的秘密，第三密钥，并开始加密彼此之间的信息。这是一个划时代的时刻。
“墨子号”只能在视线范围内操作，不能在阳光下操作；尽管如此，它还是被用来成功地演示了75分钟的视频会议电话，这是第一代量子卫星的充分演示。你可以在这里读到更多关于Micius的信息：https://www.wired.com/story/why-this-intercontinental-quantum-encrypted-video-hangout-is-a-big-deal/, https://cosmosmagazine.com/technology/the-quantum-internet-is-already-being-built和https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Experiments_at_Space:Scale.中国还在上海和北京之间建立了一条2000公里/1200英里的量子通信主干线。它连接了4个城市，有32个节点。
注：一些量子信息科学家对中国的量子网络主张持怀疑态度，或者怀疑它是否100%是基于量子的。
日本已经展示了使用量子中继器（https://qiqb.otri.osaka-u.ac.jp/wp-content/uploads/2019/01/AllPhotonicQR-QIQBen.pdf).它使用光学器件作为量子中继器（被称为光子学），这使得它可以发送量子信息，而不需要传统的组件，也不需要使用量子存储器。
一个美国团队正在致力于建立一个48公里/30英里的量子网络，利用量子纠缠和隐形传态（https://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/security/us-national-labs-join-forces-on-a-quantum-network).大多数其他长距离量子网络使用QKD，但这个美国国家实验室资助的项目，率先在芝加哥附近，将是第一批使用传送的人之一。美国能源部提供了数百万美元。国家实验室（阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室）与芝加哥大学一起组成了一个官方实体，被称为芝加哥量子交易所（https://quantum.uchicago.edu/).它涉及100多个量子信息科学研究人员。
基于量子的网络已经建立并处于实验阶段，几个现实世界的项目和设备将在未来几年内上线。

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量子网络，罗德尼范米特，威利，2017https://www.worldcat.org/title/quantum-networking/oclc/879947342
量子互联网正在兴起，一次一个实验，Anil Ananthaswamy,《科学美国人》杂志，2019年6月19日https://www.scientificamerican.com/article/the-quantum-internet-is-emerging-one-experiment-at-a-time/
量子互联网，金布尔，2008年6月25日，白皮书，https://arxiv.org/pdf/0806.4195.pdf
量子互联网中纠缠优化的泊松模型，Laszlo Gyongyosi和Sandor Imre，量子信息处理，2019年6月5日，https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs11128-019-2335-1.pdf
量子互联网已经到来（它还没有到来），Davide Castelvecchi，《自然》杂志，2019年2月14日，https://www.nature.com/articles/d41586-018-01835-3
互联网研究任务组（IRTF）的量子互联网研究小组称为QIRG。qi rg邮件列表提交给qirg@irtf.org，如欲透过万维网订阅或取消订阅，请浏览https://www.irtf.org/mailman/listinfo/qirg.

总结

随着基础技术的进步，量子网络将像量子信息科学的其他部分一样，断断续续地发展和成熟。量子网络将从更经典的部分（如可信中继器）开始，并使用QKD来交换安全密钥，然后使用真正的量子中继器、量子纠缠、隐形传态和量子交换来移动到一个完整的基于量子的网络堆栈。有限的，实验性的网络将很快被现实世界的，有效的，量子网络所取代。最终，我们的大部分（如果不是全部的话）经典互联网将被量子网络所取代，原因有很多，其中一个重要原因是量子力学提供了更强的内在安全性。
前面的所有章节都涉及量子力学、计算、密码学，以及为什么量子计算机可能很快就会打破当今的公钥密码体制。第二部分首先讨论了量子抵抗和基于量子的密码学.本章涵盖量子网络组件、挑战和可能的应用程序。第9章将讨论所有利益相关者应如何为即将到来的量子突破和革命做好准备。