弗吉尼亚理工大学的联邦网络倡议(CCI)研究人员正在通过探索量子网络来推进这一愿景，由于量子水平上物理学的不可思议行为，量子网络有望彻底改变网络安全。

“长期以来，这些想法只是好奇，完全不直观，”弗吉尼亚理工大学理学院物理学教授索菲亚·伊科诺穆说。“现在我们有可能将它们转化为技术。”

领导一个跨学科团队，其中包括来自物理学的CCI弗吉尼亚理工大学研究人员EdwinBarnes和来自计算机科学的JamieSikora以及来自化学的NicholasMayhall，作为弗吉尼亚理工大学的主任，Economou正在探索从量子好奇心到量子技术的道路量子信息科学与工程中心。

该中心在行政上隶属于关键技术和应用科学研究所(ICTAS)，与联邦网络倡议的西南节点、国家安全研究所、创新园区和企业研究中心等团体合作，所有这些都是投资于量子研究和基础设施。

量子行为

比特是数字信息的最小单位，它存在于两种状态之一：0或1。在量子信息处理器中，信息被封装在同时占据0和1之间的多个状态的量子比特(量子比特)中——常规信息处理器无法访问。这种称为叠加的质量释放了前所未有的计算能力和处理速度。

这种强大的力量意味着什么?首先，各个领域的研究人员都可以解决即使是最先进的计算机也无法解决的数据密集型怪物问题——例如用于挽救生命的医学发展的分子模拟、气候变化中的天气和大气建模以及确保地球上的敏感信息价值。

但量子计算并不是唯一的变革性量子技术。量子系统具有在通信中提供固有安全性的特性。与包含现有互联网的“经典”网络不同，量子网络将增强网络安全并允许执行大量加密和网络任务。

“量子网络对网络安全的影响无异于变革，”弗吉尼亚理工大学数学教授兼CCI西南节点主任GretchenMatthews说。“我们正在寻找具有广泛影响的新范式。量子网络将提供对这些新计算工具的访问。”

量子网络还没有出现——但它们越来越近了。

“我们已经有了量子网络的原理证明，”Economou说。“这意味着小规模的量子网络已经存在。我们正在努力解决非常棘手的技术和工程问题，但原理证明是有效的——我们知道这一点。”

通过量子网络安全访问

未来，用户将能够通过量子网络安全地访问量子计算机。Economou说，这类似于在云上运行程序。例如，即使是一台旧笔记本电脑也可以连接到亚马逊服务器，并利用巨大的计算能力。量子网络的关键区别在于安全性：用户可能希望运行需要保密的程序，可能是出于知识产权或国家安全原因。

“量子网络允许你发送安全编码你想要解决的算法的量子比特，这样即使拥有或操作量子计算机的人也不知道你在做什么，”Economou说。

这是如何运作的?通过利用量子力学的怪异性质。

解开量子Catch-22

量子比特的有趣之处在于：你无法在没有严重后果的情况下测量它们，Economou说。如果你干预一个量子比特——这包括试图复制它——量子状态就会被修改，这基本上保证了量子网络的固有安全性。

“为了测试交易所的安全性，一个用户可以发送一个信息包作为试验，”Economou说。“如果它与收到的信息不匹配，你可以假设中间有人试图测量或拦截信息。”

这种反干预的量子陷阱提出了一个新问题：经典网络依赖于战略性放置的中继器来测量和放大信号——这不是量子比特的选择。

“你需要做一些更聪明的事情，”Economou说。

Economou和她的团队在弗吉尼亚州西南部联邦网络倡议的初始资助下，正在研究“更聪明的东西”。

“多年前提出的解决方案就是所谓的纠缠，”她说。“我们正在探索如何使用纠缠来构建和扩展量子网络。”

纠缠是指两个或多个量子比特在物理上相互作用以变得相关并保持相关，即使它们分开-就像同卵双胞胎的故事即使相隔数英里也能感受到彼此的痛苦或快乐。

在量子网络中，一个节点上的用户可以操纵纠缠系统，该系统会自动更新不同点的对应系统——本质上是通过网络传送信息，而无需实际传输物理量子比特。

Economou和她的团队正在探索如何创建和分配纠缠量子态——这一过程涉及通过一系列中继站发送纠缠光子。该团队推测，可以测量(并因此破坏)纠缠量子比特的子系统。这将允许团队成员纠正和调整不可避免的错误，然后将信息弹射到下一个航站，而不会影响它。

通过研究原子级别的信息处理如何影响整个量子网络，Economou和她的合作者正在设计一种架构，有朝一日可以保护我们的日常通信并将我们安全地连接到量子计算的力量。