量子计算将如何重新定义无线通信

领导欧洲 6G 工作的研究人员之一是 Riccardo Bassoli，他的重点是为新一代网络设计和集成量子计算、通信和传感技术。他是德国德累斯顿工业大学量子通信网络研究小组的负责人，与德国电信和 aconnic 等多家公司合作，并参与了欧盟旗舰项目Hexa-X-II和QIA（量子互联网联盟）。

虽然细节仍不清楚，但在最近接受我们的采访时，他暗示了 6G 连接的世界可能是什么样子，并讨论了该技术实施所面临的实际挑战。

当我开始在德累斯顿工业大学担任教授时，我的想法是想象量子技术在实现下一代网络（我们称之为 6G）中的作用。量子计算、量子传感或量子通信技术能否在 2030 年至 2040 年之间的网络中发挥作用？这是我从一开始就致力于教授的主要问题。我的研究重点是实现通信网络的低延迟，同时满足 6G 所建立的可持续性和可信度要求。

在传统通信中，主要将信息位映射到电磁波中（如果考虑水下通信，则为声波）。在量子通信和量子计算中，将信息映射到原子和亚原子系统的属性中。例如，可以采用粒子的属性、电子自旋或原子中的能级。

通常，每一代移动无线网络（蜂窝网络）都需要十年的时间来开发。6G 将在 2030 年至 2040 年之间部署。目前，我们在量子计算机中可用的量子比特数量有限，但在未来十年，我们预计量子计算机将拥有更多可用的量子比特。研究量子计算技术在 5 到 10 年内可以达到的准备程度很重要，以了解潜在的适用性。

5G 首次在通信网络中引入了虚拟化范式。其理念是，硬件功能也可以抽象化并实现为软件模块，这些模块可以在任何计算网络节点（例如服务器）上运行。这是云/边缘计算的愿景。在 6G 中，愿景是将硬件基础设施完全抽象为所谓的“软件连续体”，可以由网络的控制平面动态和自适应地管理。这种网络软件化使计算成为通信网络中的关键范式 [网络内计算]。

另一个支柱是网络智能。这意味着不仅将机器学习或人工智能作为一种服务，而且还将其应用于网络管理和运营。接下来，语义、后香农和面向目标的通信将支持 6G 重塑通信范式，从而更有效地利用通信资源。

最后，6G 还将成为“网络的网络”。这可能更具技术性。6G 的愿景旨在实现网络的“生态系统”，使不同类型的地面无线和有线技术与非地面网络（例如卫星、无人机、无人驾驶飞行器等）互通。这将使 6G 能够无缝连接地球上的任何地方。

将人类感官体验、环境和“虚拟世界”融合为混合“现实”（例如，实现人类远程呈现）。接下来，远程控制机器人和机器无缝执行特定的协作任务，这将显著推动工业、健康和教育等多个领域的发展。

6G 将显著增强工业领域的工作效率。单个工人将能够与不同类型的机器人和机器协作执行不同的任务，从而减轻工人的身体压力。接下来，6G 将使技能民主化，使医疗更加高效、有效和负担得起。这些用例是我们在德国人机交互触觉互联网卓越集群中心(CeTI) 和6G 生活研究中心考虑的一些用例。触觉互联网在这里发挥着关键作用。

在过去十年中，5G 诞生时，人们开始思考，我们能否在网络中添加控制功能？人类可以远程控制机器人吗？为了做到这一点，你不能只依赖视听信息，还需要触觉的传输。你可以想象一下，在进行远程手术或在工厂中控制机器人时，你是如何做到的。如果没有触觉反馈，你就无法操作。这肯定会成为元宇宙的基本支柱，在元宇宙中，真实物体将在混合现实中与虚拟物体无缝交互。

有很多。6G 是一个网络和技术的生态系统。你必须确保所有这些技术无缝地相互集成，以提供服务和垂直行业所需的端到端性能。

主要瓶颈之一是延迟。例如，想象一下触觉互联网的要求，其中低延迟通信需要 1 到 10 毫秒的端到端延迟，您必须确保每种技术和网络每个节点给出的延迟总和满足此值范围。接下来，必须同时实现此延迟目标以及能源效率、可信度、大规模连接和高数据传输。这是关键挑战。

首先，目前我们还没有标准的技术。例如，“经典”计算机在某种程度上是标准化的。它们使用已经以特定方式工作的特定技术。我们也可以将其扩展到通信技术。在量子计算和通信方面，我们不知道这些技术是否会成为未来的应用技术，因为我们仍在研究它们的性能、功能和权衡。

举个例子，我们看到各种基于完全不同技术的量子计算机，如超导、光子学、离子阱、NV [氮空位] 中心等。我们还不知道哪种技术会被应用，因为我们不知道哪种技术最适合满足未来通信网络的要求。我们必须研究所有这些技术，以了解它们的优点和局限性。这是我们与慕尼黑工业大学的同事合作开展的QUARKS项目的主要目标之一，该项目由德国联邦教育和研究部资助。

这仍然是一项正在进行的工作。目前我们无法区分两种技术。

目前，量子计算机的能源效率还不是很高。如何提高量子计算机的能源效率和可持续性？

6G 的一个关键性能指标是能源效率。有时，解决方案是使用一些量子技术，这些技术针对 6G 指标之一，但不是同时针对所有指标。在 6G 中，我们必须同时满足不同的指标，这些指标有时会导致关键的权衡。例如，如果你想确保网络的高安全性和可信赖性，安全性就有计算负载和通信负载，这也需要更多的能源。

在网络中应用量子计算的一个重要挑战是以透明和完整的方式计算各种平台的能源使用情况，同时考虑与计算时间、可靠性和可以提供的实际计算量子比特数量之间的权衡相关的实际能源。目前，与能源相关的争论在量子计算中并不那么频繁。

另一方面，我们团队正在尝试评估量子计算，考虑 6G 的所有性能指标。从工程角度来看，这些都是我们必须回答的重要问题。在工程设计中，一项技术能否胜过另一项技术，不仅取决于技术的质量，还取决于其在实验室之外的实际适用性和可扩展性。

正如前几代一样，6G 将从 2030 年开始在社会中普及，并在未来十年内不断发展。要让网络连接无处不在，也需要各国不同行业参与者的投资。

我认为量子计算与 6G 的结合将在本世纪下半叶（可能是 2035 年至 2040 年）对更广泛的社区产生更大的影响。这在很大程度上取决于这些技术的研究、行业和标准化的进步。量子计算的作用可能是加速当前计算中心的硬件。然而，这一进步还在于证明了实际的量子优势，而这不仅仅考虑了计算时间。

如果我们借助量子计算实现了低延迟的目标，我猜工业、教育系统和医疗保健系统将首先受益。