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目前美國、歐盟紛紛布局量子網(wǎng)絡(luò)。什么是量子互聯(lián)網(wǎng)？除了高安全性，還擁有哪些優(yōu)良性能？規(guī)模應(yīng)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(bào) 撰文/尹璋琦（北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授） 編輯/吉菁菁 新媒體編輯/陳炫之 自1969年互聯(lián)網(wǎng)發(fā)明以來，它已經(jīng)徹底地改變了人類的生活和社會形態(tài)。今后幾年隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步普及，我們將會進(jìn)入萬物互聯(lián)的新時(shí)代。很多人都很好奇，5G之后新一代的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)會是什么樣呢？是6G、7G網(wǎng)絡(luò)，還是什么別的？ 
▲量子互聯(lián)網(wǎng)想象圖 今年2月，美國白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布了美國政府的量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略展望，7月底，美國能源部發(fā)布了美國量子互聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)圖。今年5月，歐盟也發(fā)布了自身的量子互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略愿景。“量子互聯(lián)網(wǎng)”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(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了濃厚的興趣，量子網(wǎng)絡(luò)很可能會是下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。那什么是量子互聯(lián)網(wǎng)？讓我們從頭說起。 為什么我們需要量子互聯(lián)網(wǎng)？ 量子互聯(lián)網(wǎng)包含兩個(gè)關(guān)鍵詞：“量子”與“互聯(lián)網(wǎng)”。量子在這里指的是量子物理特有的規(guī)律。量子物理學(xué)是從20世紀(jì)初發(fā)展起來的一門學(xué)問。量子物理理論一經(jīng)創(chuàng)立，就成功地解釋了原子發(fā)光光譜等問題，進(jìn)而幫助人們深刻地理解了微觀世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。只有掌握了這些規(guī)律，人們才能發(fā)明晶體管、半導(dǎo)體芯片以及大規(guī)模集成電路技術(shù)，用于制造功能越來越強(qiáng)大的電子計(jì)算機(jī)�；诹孔游锢恚藗儼l(fā)明了激光并用于光纖通信，從而實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)�？傊孔游锢韺W(xué)不僅是信息時(shí)代的基礎(chǔ)，也是全球互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。 互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)四十多年，其容量、速度和廣度一直在迅猛發(fā)展。最開始互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)便捷地分享。今天通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，我們可以隨時(shí)隨地拍攝一段視頻，并發(fā)布在網(wǎng)上。 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極大地提升了人們的生活品質(zhì)和社會的運(yùn)行效率，但不可避免地也帶來了很多新的問題，比如網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的信息安全問題，身份認(rèn)證問題等。解決這些問題的通行辦法是密碼學(xué)家發(fā)明的公共密鑰協(xié)議。1994年，能夠高效破解RSA公共密鑰協(xié)議的Shor量子算法發(fā)明后，公共密鑰協(xié)議的安全性開始被動(dòng)搖。幸好，1984年人們就發(fā)明了基于量子物理的BB84密碼協(xié)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(jì)算所攻破：量子的“矛”正好被量子的“盾”抵擋。 由BB84協(xié)議發(fā)展而來的量子保密通信技術(shù)，在過去的三十多年中得到了迅猛發(fā)展。最近十年，中國人在這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，比如“墨子號”量子衛(wèi)星發(fā)射成功，京滬量子通信干線的建設(shè)等，都極大地直接推動(dòng)了量子保密通信的應(yīng)用落地，與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，保障用戶的信息安全。 既然量子物理與密碼學(xué)融合而來的量子保密通信技術(shù)，可極大地提升互聯(lián)網(wǎng)的信息安全，很自然的，我們會想，如果用量子技術(shù)對互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行整體的升級，實(shí)現(xiàn)全量子的互聯(lián)網(wǎng)，也許就能做更多傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)做不了的事情。 ★ ★ ★ 全新傳感方式，更精準(zhǔn)更安全 那量子互聯(lián)網(wǎng)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(jīng)典量子比特那樣，它也有0和1兩個(gè)狀態(tài)，但同時(shí)遵循量子的規(guī)律，可以處于0和1的量子疊加態(tài)。 最神奇的是，相距遙遠(yuǎn)的量子比特之間，還可以處于量子糾纏態(tài)。量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation）技術(shù)：它基于量子物理基本原理，利用量子糾纏作為資源和經(jīng)典通信的輔助，不用移動(dòng)承載量子信息的物質(zhì)實(shí)體（比如說光子），就能實(shí)現(xiàn)相距遙遠(yuǎn)的兩點(diǎn)之間的量子信息的傳遞。由此可以預(yù)計(jì)，未來的量子互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，也離不開經(jīng)典信息網(wǎng)絡(luò)的輔助，量子互聯(lián)網(wǎng)與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)是并行不悖的。
▲量子隱形傳態(tài)示意圖 其次，利用量子網(wǎng)絡(luò)還有望實(shí)現(xiàn)全新的傳感技術(shù)，在軍事國防上有重大的應(yīng)用潛力。在量子互聯(lián)網(wǎng)上，利用相互糾纏的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠帶來傳感靈敏度的極大提升，超越經(jīng)典測量理論的極限。基于量子網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的全球時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，使得網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步更加穩(wěn)定，各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的誤差可以被實(shí)時(shí)測定并修正。利用量子糾纏作為資源，所實(shí)現(xiàn)的全球量子時(shí)鐘基準(zhǔn)將會出現(xiàn)顛覆性的提升。不僅如此，基于量子網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘基準(zhǔn)，具有很高的安全性，能探測敵人對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的攻擊。利用量子網(wǎng)絡(luò)所實(shí)現(xiàn)的時(shí)間基準(zhǔn)一旦用于北斗全球定位系統(tǒng)，將會極大提升其授時(shí)、定位精度與安全性。我相信利用量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全新的傳感方式將會是未來量子互聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用。 建造量子互聯(lián)網(wǎng)的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。盡管量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)展現(xiàn)出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)量子計(jì)算機(jī)的能力始終是有限的，如果能用量子互聯(lián)網(wǎng)連接不同的量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)，可以形成龐大的分布式量子計(jì)算機(jī)，極大地增加量子計(jì)算的能力。為了實(shí)現(xiàn)可靠的分布式量子計(jì)算，關(guān)鍵是在量子網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)（量子系統(tǒng)最本質(zhì)的特性———量子態(tài)的相干疊加和糾纏很脆弱，很難保持。容易出現(xiàn)量子的退相干效應(yīng)，會不可避免地導(dǎo)致量子錯(cuò)誤。另外，量子門操作中的誤差也會導(dǎo)致量子錯(cuò)誤。為了實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的量子計(jì)算，首要的任務(wù)就是克服退相干效應(yīng)，對量子計(jì)算過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤及時(shí)加以監(jiān)控并糾正）�？偟膩碚f，量子網(wǎng)絡(luò)在量子計(jì)算上的應(yīng)用，目前還是著眼于基礎(chǔ)研究。 ★ ★ ★ 實(shí)現(xiàn)全球量子互聯(lián)網(wǎng)：前有三大“攔路虎” 要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球量子互聯(lián)網(wǎng)和分布式量子計(jì)算，要解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是量子糾纏的長距離分發(fā)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(tài)的一對光子通過光纖朝兩個(gè)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(fā)展可以“蒸餾”和放大量子糾纏的技術(shù)，我們把它稱為量子中繼器。
本質(zhì)上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計(jì)算機(jī)。在這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)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(cuò)誤，并將其存儲足夠長的時(shí)間，以便網(wǎng)絡(luò)的其余部分準(zhǔn)備就緒。 量子網(wǎng)絡(luò)終極的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。通常量子計(jì)算機(jī)中量子信息存儲在微波波段，而要連接相聚遙遠(yuǎn)的量子計(jì)算機(jī)，需要我們實(shí)現(xiàn)量子信息在微波與光學(xué)波段之間的高效轉(zhuǎn)化，以及量子信息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的長時(shí)間存儲。總的來說，要實(shí)現(xiàn)全量子網(wǎng)絡(luò)，所需要突破的技術(shù)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(shí)現(xiàn)量子信息在微波與光學(xué)波段光子之間的高效轉(zhuǎn)化。 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)微波光子與光學(xué)光子的轉(zhuǎn)化，但僅限于經(jīng)典信號，單量子水平的高效轉(zhuǎn)化還在研發(fā)中。要實(shí)現(xiàn)真正的量子連接器，目前主要問題在于轉(zhuǎn)化效率不夠高，以及轉(zhuǎn)化時(shí)噪聲太大。據(jù)我估計(jì)，5年內(nèi)此技術(shù)應(yīng)該可突破到單量子水準(zhǔn)。 ● 量子中繼器：可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間量子糾纏的放大。 實(shí)現(xiàn)量子中繼器的關(guān)鍵是量子糾纏分發(fā)。目前已實(shí)現(xiàn)相距幾十公里，通過光纖連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的量子糾纏分發(fā)（由中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)完成），糾纏放大的技術(shù)指標(biāo)只差臨門一腳，就能邁向?qū)嵱玫牧孔又欣^器。 ● 量子存儲器：可以長時(shí)間存儲量子信息。 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小時(shí)量級的量子存儲器，但需要超低溫環(huán)境，且無法對錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。正在研發(fā)室溫下的長壽命量子存儲器，并利用量子糾錯(cuò)技術(shù)糾正存儲中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。 雖然通向量子互聯(lián)網(wǎng)的道路上還存在很多障礙，但目前揭示出的量子互聯(lián)網(wǎng)的功能，已經(jīng)讓人們神往不已。有理由相信，隨著技術(shù)的發(fā)展，量子互聯(lián)網(wǎng)的雛形將很快會出現(xiàn)，它將幫助人們深入地挖掘量子互聯(lián)網(wǎng)的能力與功能，量子互聯(lián)網(wǎng)更多顛覆性的應(yīng)用將會不斷涌現(xiàn)。 |
