安全系數(shù)最高 量子互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代就要來了？

近日，美國能源部發(fā)布了題為《建立全國量子網(wǎng) 引領(lǐng)通信新時(shí)代》的報(bào)告，提出10年內(nèi)建成全國性量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍(lán)圖，并希望借此確保美國處于全球量子競(jìng)賽前列，引領(lǐng)通信新時(shí)代。

美國能源部方面稱，量子互聯(lián)網(wǎng)利用量子力學(xué)定律，能比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更安全地傳輸信息，“幾乎不可破解”，未來將對(duì)科學(xué)、工業(yè)以及國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

消息一出，就引發(fā)了眾多疑問：量子互聯(lián)網(wǎng)究竟是什么?它將給世界和我們的日常生活帶來哪些影響?在發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)的路上，會(huì)遭遇哪些“攔路虎”?

信息無法被竊取復(fù)制，安全系數(shù)最高

上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心(IQIT)主任金賢敏解釋說，量子互聯(lián)網(wǎng)由大規(guī)模分布的量子節(jié)點(diǎn)和鏈接各個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子信道組成，用于實(shí)現(xiàn)各類量子增強(qiáng)的通信、計(jì)算和計(jì)量等技術(shù)。“一直以來，實(shí)際可用的量子互聯(lián)網(wǎng)是量子信息科學(xué)領(lǐng)域追尋的目標(biāo)之一。”金賢敏說。

早在2018年，《科學(xué)》雜志就曾發(fā)表文章《量子互聯(lián)網(wǎng)：發(fā)展愿景》，其中描述了量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展藍(lán)圖。文章稱，量子互聯(lián)網(wǎng)不是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的簡單替代，而是為其加上“盾牌”的新型基礎(chǔ)設(shè)施。中國量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、中國科學(xué)院院士潘建偉2019年在接受媒體采訪時(shí)也提到了量子互聯(lián)網(wǎng)，他說：“眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)是用于傳遞、處理和儲(chǔ)存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網(wǎng)則可以對(duì)量子信息進(jìn)行同樣的傳遞、處理和存儲(chǔ)。量子比特和量子糾纏(量子比特互相關(guān)聯(lián)的狀態(tài))將是量子互聯(lián)網(wǎng)的基本資源。”

美國能源部的報(bào)告中提到，由于量子互聯(lián)網(wǎng)具有特殊的訪問方式，每一次訪問都會(huì)留下不可磨滅的“痕跡”，因此其被稱為“最安全的互聯(lián)網(wǎng)”。據(jù)潘建偉解釋，從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，量子互聯(lián)網(wǎng)的首要任務(wù)是以一種無條件安全的方式進(jìn)行全球性的密鑰共享，如果將隨機(jī)產(chǎn)生的密碼編碼在光子的量子態(tài)上，依據(jù)量子不可克隆定理，一個(gè)未知的量子態(tài)不能夠被精確地復(fù)制，一旦被測(cè)量就會(huì)被破壞。因此，一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，就一定會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

據(jù)了解，量子互聯(lián)網(wǎng)不僅可用來傳輸加密信息，還能支持基于云的量子計(jì)算，有望在多個(gè)領(lǐng)域大顯身手。美國能源部的報(bào)告顯示，其籌備建設(shè)的量子互聯(lián)網(wǎng)將首先應(yīng)用于銀行和醫(yī)療服務(wù)部門，未來還有望在國家安全和飛機(jī)通信領(lǐng)域施展拳腳。報(bào)告中還提到，“最終，手機(jī)內(nèi)使用量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能會(huì)對(duì)每個(gè)人的生活帶來廣泛影響”。

另外，創(chuàng)建超級(jí)靈敏的量子傳感網(wǎng)絡(luò)還有助于更好地檢測(cè)和預(yù)測(cè)地震，或者尋找地下的石油、天然氣或者礦產(chǎn)。

據(jù)專家介紹，量子互聯(lián)網(wǎng)是一步一步向前演進(jìn)的，不斷把量子計(jì)算、量子傳感、測(cè)量等各類功能融入進(jìn)來，最終的目標(biāo)是形成包括量子安全網(wǎng)絡(luò)、分布式量子計(jì)算和量子傳感網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的“全量子網(wǎng)絡(luò)”。美國能源部在報(bào)告中稱，人們正在形成一個(gè)共識(shí)——量子互聯(lián)網(wǎng)是21世紀(jì)最重要的技術(shù)前沿之一。

引發(fā)全球關(guān)注，各國競(jìng)相布局

鑒于量子互聯(lián)網(wǎng)安全性高、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的特點(diǎn)，全球多個(gè)國家都在研發(fā)這種新型通信方式。

據(jù)悉，今年2月，美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的科學(xué)家在芝加哥郊區(qū)成功建立了一個(gè)52英里的糾纏光子“量子環(huán)”，這是美國迄今最長的陸基量子網(wǎng)絡(luò)之一。該網(wǎng)絡(luò)很快將與能源部費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室連接，構(gòu)成一個(gè)80英里的三節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái)。此外，石溪大學(xué)和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)手勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)搭建了一個(gè)80英里長的量子網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)正積極進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展工作。

量子互聯(lián)網(wǎng)也吸引了其他國家的關(guān)注。荷蘭、加拿大、日本、韓國、俄羅斯等國以及歐盟也在加緊部署量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

2016年5月，歐盟就提出了“歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”，總投資約10億歐元，主要目標(biāo)之一就是利用10年時(shí)間建成量子互聯(lián)網(wǎng)。

此外，據(jù)俄羅斯《消息報(bào)》網(wǎng)站今年4月份報(bào)道，俄羅斯將利用俄羅斯鐵路公司的基礎(chǔ)設(shè)施打造量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，該平臺(tái)試驗(yàn)區(qū)將在2021年啟動(dòng)，金融機(jī)構(gòu)、國家集團(tuán)、生產(chǎn)企業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施可能成為首批用戶。

近年來，我國也在大力發(fā)展量子通信技術(shù)，并在量子通信領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就：2017年，全長2000余公里的世界首條量子保密通信骨干線路“京滬干線”項(xiàng)目通過總技術(shù)驗(yàn)收;今年6月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團(tuán)隊(duì)利用全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，在國際上首次實(shí)現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里級(jí)量子保密通信。

金賢敏認(rèn)為，這些成就對(duì)于我國構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)具有重要意義，同時(shí)也標(biāo)志著我國量子互聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展已經(jīng)處于國際先進(jìn)水平。

走向?qū)嵱没P(guān)鍵在中繼器

然而，量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展之路并非一條坦途。

金賢敏指出：“對(duì)于量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的挑戰(zhàn)，科學(xué)家們一直致力于解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是光子通過長距離光纖傳輸，在傳播中的損耗會(huì)隨距離呈指數(shù)型增加;二是光量子態(tài)的產(chǎn)生具有概率性。這兩個(gè)問題使得量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行效率很低。”

據(jù)了解，量子互聯(lián)網(wǎng)需要量子通信、量子精密測(cè)量、量子計(jì)算等領(lǐng)域全方位的突破。金賢敏表示，從長遠(yuǎn)來看，將真正的全量子互聯(lián)網(wǎng)推向?qū)嵱没年P(guān)鍵仍然在于量子中繼器。

簡單來說，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變(比如人們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量)，另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。假設(shè)信息的接收方和發(fā)送方各有一個(gè)光量子，它們?cè)俑髯耘沙鲆粋€(gè)與之糾纏的光量子作為“中介”，讓兩個(gè)“中介”光量子在中繼器糾纏起來，那么兩個(gè)留下的光量子也會(huì)形成糾纏關(guān)系。

在信息通信領(lǐng)域中，量子中繼器是一個(gè)廣泛的概念，它就像信息高速公路上的“加油站”，主要通過糾纏交換、糾纏純化和量子存儲(chǔ)等基本技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)的糾纏操縱，幫助信息傳輸?shù)礁h(yuǎn)的距離，從而突破量子通信距離的限制。

今年3月，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員在《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，其中提到，本質(zhì)上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計(jì)算設(shè)備，它必須能夠有效地捕獲和處理量子信息，并將其存儲(chǔ)足夠長的時(shí)間，以將信息傳輸至數(shù)千公里之外。

金賢敏研究團(tuán)隊(duì)一直致力于量子中繼器走向?qū)嵱没年P(guān)鍵問題研究，并實(shí)現(xiàn)了一種混合架構(gòu)的、可在室溫下運(yùn)行的寬帶量子存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。據(jù)介紹，該成果已于今年上半年在《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表。

金賢敏進(jìn)一步指出：“構(gòu)建可實(shí)際應(yīng)用的量子存儲(chǔ)器，挑戰(zhàn)來自于需要同時(shí)滿足高存儲(chǔ)帶寬、長壽命、高效率和低噪音等指標(biāo)，更重要的是能夠在室溫條件下工作，這是艱難而又意義深遠(yuǎn)的一步。”

在量子技術(shù)日趨成熟和接近商用的今天，我國的量子技術(shù)研究不斷取得突破。“未來，我們期待充分挖掘基于實(shí)際可用的量子中繼器的量子互聯(lián)網(wǎng)，能夠通過構(gòu)建更多節(jié)點(diǎn)和提升節(jié)點(diǎn)性能的方式，使得量子互聯(lián)網(wǎng)具有完全可擴(kuò)展性和豐富的量子信息處理能力。通過共同努力，最終實(shí)現(xiàn)全球量子互聯(lián)網(wǎng)。”金賢敏如是說。( 劉 霞)

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