|
目前美國、歐盟紛紛布局量子網絡。什么是量子互聯網？除了高安全性，還擁有哪些優良性能？規模應用還面臨哪些障礙？來看專家解讀。 文章來源：科普中央廚房 | 北京科技報 撰文/尹璋琦（北京理工大學物理學院量子技術研究中心教授） 編輯/吉菁菁 新媒體編輯/陳炫之 自1969年互聯網發明以來，它已經徹底地改變了人類的生活和社會形態。今后幾年隨著5G網絡技術的逐步普及，我們將會進入萬物互聯的新時代。很多人都很好奇，5G之后新一代的互聯網技術會是什么樣呢？是6G、7G網絡，還是什么別的？ 
▲量子互聯網想象圖 今年2月，美國白宮國家量子協調辦公室發布了美國政府的量子網絡戰略展望，7月底，美國能源部發布了美國量子互聯網的藍圖。今年5月，歐盟也發布了自身的量子互聯網戰略愿景。“量子互聯網”成為了科技媒體上熱門的詞匯。這么多國家的政府都不約而同地對量子互聯網產生了濃厚的興趣，量子網絡很可能會是下一代網絡技術的關鍵。那什么是量子互聯網？讓我們從頭說起。 為什么我們需要量子互聯網？ 量子互聯網包含兩個關鍵詞：“量子”與“互聯網”。量子在這里指的是量子物理特有的規律。量子物理學是從20世紀初發展起來的一門學問。量子物理理論一經創立，就成功地解釋了原子發光光譜等問題，進而幫助人們深刻地理解了微觀世界物質運動的規律。只有掌握了這些規律，人們才能發明晶體管、半導體芯片以及大規模集成電路技術，用于制造功能越來越強大的電子計算機。基于量子物理，人們發明了激光并用于光纖通信，從而實現全球互聯。總之，量子物理學不僅是信息時代的基礎，也是全球互聯網的基礎。 互聯網出現四十多年，其容量、速度和廣度一直在迅猛發展。最開始互聯網的速度太慢，只適合傳輸文字信息，后來圖片、語音、視頻等都能通過網絡便捷地分享。今天通過移動互聯網，我們可以隨時隨地拍攝一段視頻，并發布在網上。 互聯網技術極大地提升了人們的生活品質和社會的運行效率，但不可避免地也帶來了很多新的問題，比如網絡時代的信息安全問題，身份認證問題等。解決這些問題的通行辦法是密碼學家發明的公共密鑰協議。1994年，能夠高效破解RSA公共密鑰協議的Shor量子算法發明后，公共密鑰協議的安全性開始被動搖。幸好，1984年人們就發明了基于量子物理的BB84密碼協議，它的安全性完全由量子物理的基本特性所保證，不會被量子計算所攻破：量子的“矛”正好被量子的“盾”抵擋。 由BB84協議發展而來的量子保密通信技術，在過去的三十多年中得到了迅猛發展。最近十年，中國人在這項技術的發展中發揮了重要作用，比如“墨子號”量子衛星發射成功，京滬量子通信干線的建設等，都極大地直接推動了量子保密通信的應用落地，與現有的互聯網結合起來，保障用戶的信息安全。 既然量子物理與密碼學融合而來的量子保密通信技術，可極大地提升互聯網的信息安全，很自然的，我們會想，如果用量子技術對互聯網進行整體的升級，實現全量子的互聯網，也許就能做更多傳統互聯網做不了的事情。 ★ ★ ★ 全新傳感方式，更精準更安全 那量子互聯網到底能做什么事情呢？首先，它可以用來傳遞量子信息。量子信息的基本單元是量子比特，如同經典量子比特那樣，它也有0和1兩個狀態，但同時遵循量子的規律，可以處于0和1的量子疊加態。 最神奇的是，相距遙遠的量子比特之間，還可以處于量子糾纏態。量子互聯網的基礎是量子隱形傳態（Quantum Teleportation）技術：它基于量子物理基本原理，利用量子糾纏作為資源和經典通信的輔助，不用移動承載量子信息的物質實體（比如說光子），就能實現相距遙遠的兩點之間的量子信息的傳遞。由此可以預計，未來的量子互聯網運行時，也離不開經典信息網絡的輔助，量子互聯網與經典互聯網是并行不悖的。
▲量子隱形傳態示意圖 其次，利用量子網絡還有望實現全新的傳感技術，在軍事國防上有重大的應用潛力。在量子互聯網上，利用相互糾纏的量子網絡節點，能夠帶來傳感靈敏度的極大提升，超越經典測量理論的極限。基于量子網絡可以實現更加精準的全球時鐘標準，使得網絡中不同節點間時鐘同步更加穩定，各個節點時鐘的誤差可以被實時測定并修正。利用量子糾纏作為資源，所實現的全球量子時鐘基準將會出現顛覆性的提升。不僅如此，基于量子網絡的時鐘基準，具有很高的安全性，能探測敵人對網絡節點的攻擊。利用量子網絡所實現的時間基準一旦用于北斗全球定位系統，將會極大提升其授時、定位精度與安全性。我相信利用量子網絡實現全新的傳感方式將會是未來量子互聯網的重要應用。 建造量子互聯網的終極目標是實現分布式量子計算網絡。盡管量子計算機已經展現出超越經典計算機的能力，但是每個節點量子計算機的能力始終是有限的，如果能用量子互聯網連接不同的量子計算節點，可以形成龐大的分布式量子計算機，極大地增加量子計算的能力。為了實現可靠的分布式量子計算，關鍵是在量子網絡上實現量子糾錯（量子系統最本質的特性———量子態的相干疊加和糾纏很脆弱，很難保持。容易出現量子的退相干效應，會不可避免地導致量子錯誤。另外，量子門操作中的誤差也會導致量子錯誤。為了實現有價值的量子計算，首要的任務就是克服退相干效應，對量子計算過程中出現的錯誤及時加以監控并糾正）。總的來說，量子網絡在量子計算上的應用，目前還是著眼于基礎研究。 ★ ★ ★ 實現全球量子互聯網：前有三大“攔路虎” 要實現大規模的量子網絡，進而實現全球量子互聯網和分布式量子計算，要解決的關鍵技術瓶頸是量子糾纏的長距離分發問題。我們都知道，量子糾纏一般是很脆弱的，如果把處于量子糾纏態的一對光子通過光纖朝兩個方向傳輸，量子糾纏很快就會隨著光子的泄露而完全丟失。為此，人們正在發展可以“蒸餾”和放大量子糾纏的技術，我們把它稱為量子中繼器。
本質上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計算機。在這樣一個網絡的每個階段，量子中繼器必須能夠捕獲和處理量子信息的量子比特以糾正錯誤，并將其存儲足夠長的時間，以便網絡的其余部分準備就緒。 量子網絡終極的應用是實現分布式量子計算網絡。通常量子計算機中量子信息存儲在微波波段，而要連接相聚遙遠的量子計算機，需要我們實現量子信息在微波與光學波段之間的高效轉化，以及量子信息在網絡節點上的長時間存儲。總的來說，要實現全量子網絡，所需要突破的技術包括量子連接器、量子中繼器、量子存儲器等。 ● 量子連接器：可以實現量子信息在微波與光學波段光子之間的高效轉化。 已經實現微波光子與光學光子的轉化，但僅限于經典信號，單量子水平的高效轉化還在研發中。要實現真正的量子連接器，目前主要問題在于轉化效率不夠高，以及轉化時噪聲太大。據我估計，5年內此技術應該可突破到單量子水準。 ● 量子中繼器：可以實現網絡節點之間量子糾纏的放大。 實現量子中繼器的關鍵是量子糾纏分發。目前已實現相距幾十公里，通過光纖連接的兩個節點之間的量子糾纏分發（由中科大潘建偉團隊完成），糾纏放大的技術指標只差臨門一腳，就能邁向實用的量子中繼器。 ● 量子存儲器：可以長時間存儲量子信息。 已經實現小時量級的量子存儲器，但需要超低溫環境，且無法對錯誤進行糾正。正在研發室溫下的長壽命量子存儲器，并利用量子糾錯技術糾正存儲中出現的錯誤。 雖然通向量子互聯網的道路上還存在很多障礙，但目前揭示出的量子互聯網的功能，已經讓人們神往不已。有理由相信，隨著技術的發展，量子互聯網的雛形將很快會出現，它將幫助人們深入地挖掘量子互聯網的能力與功能，量子互聯網更多顛覆性的應用將會不斷涌現。 |
