量子网络可能是高速商业通信的未来。基于量子物理学原理，理论上，量子网络可以支持量子比特（quibit）超安全、可靠和快速的传输，以进行通信。

量子网络基础设施由多个量子处理单元（QPU）组成，这些单元以量子比特的形式交换信息，量子比特是量子信息的最小单位，通常称为逻辑量子比特。量子网络是传输和接收以量子比特编码的信息的过程，量子比特可以在量子网络中以各种状态存在。

目前存在基本的量子网络技术和加密协议，但商业化预计需要十年的时间。量子网络有很多优点和缺点需要考虑，重要的是，区分清楚假设场景和现实世界用例。

量子网络的好处

量子网络建立在量子比特、量子处理器和其他量子组件的基础上，例如逻辑门、交换机、节点和中继器。虽然这仍是新兴技术，但量子网络可以解决当今互联网的问题，并提供下一代优势。

以下是量子网络的主要好处。

潜在应用

在量子网络中，量子比特的纠缠或叠加状态对信息进行编码。叠加是指量子比特在多个状态下同时存在的能力（0、1或两者），直到它们被测量。纠缠是量子比特的链接，它实现并行性，因此，随着量子比特的添加，处理能力会成倍增加。

光子能量驱动着大多数量子网络技术。它作为粒子和波的双重性质，使各种与量子相关的应用成为可能，包括量子传感、量子瞬移和量子模拟，所有这些都处于开发和部署的初始阶段。

然而，实验证实，基于纠缠的网络与经典网络协议相结合，可以在短距离内运作。

共同解决问题

理想情况下，量子网络可以部署很多节点，以高计算能力和速度解决问题。Alice & Bob是一家致力于开发实用量子计算机的公司，该公司报告称他们已经成功使用量子节点生成通信请求。

分布式量子计算是一个假设的量子网络集群，其中连接的量子处理器提供高速计算，并共同解决复杂问题。在十年内，这种量子网络基础设施可以连接到量子互联网，形成量子物联网，包括量子处理器、传感器、中继器、控制器和其他量子设备。

远距离通信

量子纠缠曾经只是假设，但实验证实：在数英里的短距离内，光子、电子和夸克存在量子纠缠。

处于纠缠状态的两个或更多量子比特表现出相同或相反的自旋，这是一种亚原子粒子的运动。如果一个量子比特的状态在测量时发生变化，另一个量子比特就会自动改变。

量子纠缠还有其他在网络中很重要的属性。例如，它有时被称为量子瞬移，因为实际的量子比特不会通过通道传输到路由器和其他网络设备。

这些属性是扩大量子网络范围的关键。此外，量子中继器、纠缠“交换”和链路级纠缠生成是潜在的范围扩展方法。

可靠的传输

量子链路在节点之间产生纠缠。在网络层，经典和量子路由协议发挥作用。经典网络中使用的TCP/IP模型会描述数据包通过网络传输以及得到接收器的确认。相比之下，量子网络消除确认的需要，因为可以预测交织的状态。

改网络架构的传输层可确保量子比特对的端到端交付。量子中继器部署在网络不同位置，它们可以提高量子网络的可靠性、计算能力和范围。并减少量子位退相干和信号丢失的影响，以提供准确的信息。

增强安全性

毫无疑问，量子网络很安全。无克隆定理指出，不可能将未知状态的量子信息重现到另一个状态。这意味着一个黑客（被称为窃听者）无法创建未知纠缠量子状态的完全独立和相同的副本。

然而，黑客可以尝试操纵量子网络中的量子比特，以获得一定程度的复制。量子网络协议可以检测通道上的此类操作，并提供量子错误检测和校正功能，以确保高水平的安全性，并防止窃听者复制机密信息。

量子密码学

量子网络架构中的应用层支持量子加密和计算协议。量子网络采用量子密码学（基于物理定律）来加密和破译信息。在量子密码学中，海森堡不确定性原理指出，不可能同时测量粒子的速度和位置；这种现象有助于保持超安全的连接。发送者和接收者比较测量值以消除错误、检测第三方尝试，并解密密钥。

量子加密协议包括量子密钥分发（QKD）、BB84、基于诱饵的QKD等。有些量子加密协议是在20世纪90年代开发的，并在21世纪初实施。QKD用于现实世界的网络。它允许在不安全的网络上以量子比特或极化光子的形式共享密钥。

错误检测和纠正

量子网络可以通过采用量子误差检测和校正算法来实现高精度。很多纠错算法（例如Shor’s、bosonic算法和位翻转算法，可以通过检查传输光子来检测接收量子比特状态的偏差。这些协议使用户能够检测量子网络上潜在的黑客攻击企图。

互操作性

量子网络与经典网络是可互操作的。此外，混合量子网络架构使用经典路由协议和拥塞控制方法来保持纠缠稳定性。研究组织和某些企业报告称已经部署基于纠缠的网络，而对低成本、全面运行和稳定的混合量子网络的研究仍在继续。

量子网络的挑战

尽管它有好处，但量子网络也面临挑战和技术障碍。量子网络的主要缺点是缺乏实际的部署。只有几百个组织在开发或使用某种类型的量子技术。

以下是量子网络的缺点。

退相干

量子信息本质上是脆弱的，使其容易受到环境因素的影响，例如量子干扰、退相干和信号丢失。量子比特在环境中停留的时间越长，它就越有可能遭受传输损失和内存损失，这反过来又会降低数据完整性。网络管理员可用的修复方法是部署量子中继器，以尝试保持准确性。

糟糕的结果

设计量子网络的网络架构具有挑战性。无克隆定理可能是防止复制的可靠保护措施，但它也消除信号复制和放大的可能性。总体影响是，量子网络容易发生信息丢失，并且只有几英里的有限范围。

复杂的操作

观测行为会使量子状态的波函数坍缩。测量量子比特的状态会改变其状态，使数据完整性难以保持。从商业角度来看，无法复制量子状态可能会限制有用应用程序的可用性。使用量子逻辑门在节点之间操纵量子信息可以实现传输，但逻辑门不能违反禁止复制的无克隆定理。

通信缓慢

量子网络是未来主义的概念，即使考虑到全球的发展也是如此。常见的误解是，量子通信比光速更快。现实情况是，量子网络通常使用传统的通信方法，无法提供比光速更快的通信。和传统的互联网一样，量子网络使用光纤进行通信。

可扩展性问题

长距离量子通信仍然是假设，因为量子网络在几英里的短距离上将节点分开。它们的处理器通常也比经典网络少。此外，目前的QPU产生的量子比特比在经典网络中生成的比特少，在大量量子比特上保持一致性实际上是不可能的。

高成本

实施和维护量子网络需要对硬件和软件进行大量投资。专门的量子硬件需要极冷的低温环境，这增加了能源和维护成本。这就是为什么最适合追求量子网络的是高预算行业，例如政府、深空研究和加密项目。中小企业无法访问量子网络设施，这限制大规模部署的机会。

复杂的整合

尽管量子网络和经典网络一起工作，但量子网络有自己的、仍在不断发展的标准化和互操作性努力，以实现混合网络。要与经典互联网集成，网络必须部署大量的QPU。此外，经典网络和量子网络的TCP/IP通信模型适用于不同的技术，很难将它们整合。

量子网络的未来

大型企业和组织有兴趣使用量子网络来实现优化计算和快速通信，以解决仅靠经典计算无法解决的复杂问题。由于量子网络是一种新的网络技术，因此对提供商来说，将其商业化可能是挑战。

量子网络可能需要几十年的时间才能以当今网络的实惠价格进行商业运营。然而，在接下来的几年里，信息技术、空间、研究和医疗保健等领域可能会开始使用量子网络进行快速通信和高性能计算。