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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？規模應用還面臨哪些障礙？來(lái)看專(zhuān)家解讀。 文章來(lái)源：科普中央廚房 | 北京科技報 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(lái)，它已經(jīng)徹底地改變了人類(lèi)的生活和社會(huì )形態(tài)。今后幾年隨著(zhù)5G網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的逐步普及，我們將會(huì )進(jìn)入萬(wàn)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(huì )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)調辦公室發(fā)布了美國政府的量子網(wǎng)絡(luò )戰略展望，7月底，美國能源部發(fā)布了美國量子互聯(lián)網(wǎng)的藍圖。今年5月，歐盟也發(fā)布了自身的量子互聯(lián)網(wǎng)戰略愿景�！傲孔踊ヂ�(lián)網(wǎng)”成為了科技媒體上熱門(mén)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(huì )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(shuō)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律。量子物理學(xué)是從20世紀初發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)問(wèn)。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(wèn)題，進(jìn)而幫助人們深刻地理解了微觀(guān)世界物質(zhì)運動(dòng)的規律。只有掌握了這些規律，人們才能發(fā)明晶體管、半導體芯片以及大規模集成電路技術(shù)，用于制造功能越來(lái)越強大的電子計算機�；诹孔游锢�，人們發(fā)明了激光并用于光纖通信，從而實(shí)現全球互聯(lián)�？傊�，量子物理學(xué)不僅是信息時(shí)代的基礎，也是全球互聯(lián)網(wǎng)的基礎。 互聯(lián)網(wǎng)出現四十多年，其容量、速度和廣度一直在迅猛發(fā)展。最開(kāi)始互聯(lián)網(wǎng)的速度太慢，只適合傳輸文字信息，后來(lái)圖片、語(yǔ)音、視頻等都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )便捷地分享。今天通過(guò)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(huì )的運行效率，但不可避免地也帶來(lái)了很多新的問(wèn)題，比如網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的信息安全問(wèn)題，身份認證問(wèn)題等。解決這些問(wèn)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(kāi)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(huì )被量子計算所攻破：量子的“矛”正好被量子的“盾”抵擋。 由BB84協(xié)議發(fā)展而來(lái)的量子保密通信技術(shù)，在過(guò)去的三十多年中得到了迅猛發(fā)展。最近十年，中國人在這項技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，比如“墨子號”量子衛星發(fā)射成功，京滬量子通信干線(xiàn)的建設等，都極大地直接推動(dòng)了量子保密通信的應用落地，與現有的互聯(lián)網(wǎng)結合起來(lái)，保障用戶(hù)的信息安全。 既然量子物理與密碼學(xué)融合而來(lái)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(huì )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)現全量子的互聯(lián)網(wǎng)，也許就能做更多傳統互聯(lián)網(wǎng)做不了的事情。 ★ ★ ★ 全新傳感方式，更精準更安全 那量子互聯(lián)網(wǎng)到底能做什么事情呢？首先，它可以用來(lái)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)遵循量子的規律，可以處于0和1的量子疊加態(tài)。 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(tài)。量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎是量子隱形傳態(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(shuō)光子），就能實(shí)現相距遙遠的兩點(diǎn)之間的量子信息的傳遞。由此可以預計，未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)運行時(shí)，也離不開(kāi)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)現全新的傳感技術(shù)，在軍事國防上有重大的應用潛力。在量子互聯(lián)網(wǎng)上，利用相互糾纏的量子網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，能夠帶來(lái)傳感靈敏度的極大提升，超越經(jīng)典測量理論的極限�；诹孔泳W(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現更加精準的全球時(shí)鐘標準，使得網(wǎng)絡(luò )中不同節點(diǎn)間時(shí)鐘同步更加穩定，各個(gè)節點(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)現的全球量子時(shí)鐘基準將會(huì )出現顛覆性的提升。不僅如此，基于量子網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘基準，具有很高的安全性，能探測敵人對網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的攻擊。利用量子網(wǎng)絡(luò )所實(shí)現的時(shí)間基準一旦用于北斗全球定位系統，將會(huì )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)現全新的傳感方式將會(huì )是未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的重要應用。 建造量子互聯(lián)網(wǎng)的終極目標是實(shí)現分布式量子計算網(wǎng)絡(luò )。盡管量子計算機已經(jīng)展現出超越經(jīng)典計算機的能力，但是每個(gè)節點(diǎn)量子計算機的能力始終是有限的，如果能用量子互聯(lián)網(wǎng)連接不同的量子計算節點(diǎn)，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(shí)現可靠的分布式量子計算，關(guān)鍵是在量子網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現量子糾錯（量子系統最本質(zhì)的特性———量子態(tài)的相干疊加和糾纏很脆弱，很難保持。容易出現量子的退相干效應，會(huì )不可避免地導致量子錯誤。另外，量子門(mén)操作中的誤差也會(huì )導致量子錯誤。為了實(shí)現有價(jià)值的量子計算，首要的任務(wù)就是克服退相干效應，對量子計算過(guò)程中出現的錯誤及時(shí)加以監控并糾正）�？偟膩�(lái)說(shuō)，量子網(wǎng)絡(luò )在量子計算上的應用，目前還是著(zhù)眼于基礎研究。 ★ ★ ★ 實(shí)現全球量子互聯(lián)網(wǎng)：前有三大“攔路虎” 要實(shí)現大規模的量子網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)而實(shí)現全球量子互聯(lián)網(wǎng)和分布式量子計算，要解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是量子糾纏的長(cháng)距離分發(fā)問(wèn)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(guò)光纖朝兩個(gè)方向傳輸，量子糾纏很快就會(huì )隨著(zhù)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(chēng)為量子中繼器。
本質(zhì)上來(lái)講，量子中繼器是一種小型的專(zhuān)用量子計算機。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誤，并將其存儲足夠長(cháng)的時(shí)間，以便網(wǎng)絡(luò )的其余部分準備就緒。 量子網(wǎng)絡(luò )終極的應用是實(shí)現分布式量子計算網(wǎng)絡(luò )。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(shí)現量子信息在微波與光學(xué)波段之間的高效轉化，以及量子信息在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上的長(cháng)時(shí)間存儲�？偟膩�(lái)說(shuō)，要實(shí)現全量子網(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)現量子信息在微波與光學(xué)波段光子之間的高效轉化。 已經(jīng)實(shí)現微波光子與光學(xué)光子的轉化，但僅限于經(jīng)典信號，單量子水平的高效轉化還在研發(fā)中。要實(shí)現真正的量子連接器，目前主要問(wèn)題在于轉化效率不夠高，以及轉化時(shí)噪聲太大。據我估計，5年內此技術(shù)應該可突破到單量子水準。 ● 量子中繼器：可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間量子糾纏的放大。 實(shí)現量子中繼器的關(guān)鍵是量子糾纏分發(fā)。目前已實(shí)現相距幾十公里，通過(guò)光纖連接的兩個(gè)節點(diǎn)之間的量子糾纏分發(fā)（由中科大潘建偉團隊完成），糾纏放大的技術(shù)指標只差臨門(mén)一腳，就能邁向實(shí)用的量子中繼器。 ● 量子存儲器：可以長(cháng)時(shí)間存儲量子信息。 已經(jīng)實(shí)現小時(shí)量級的量子存儲器，但需要超低溫環(huán)境，且無(wú)法對錯誤進(jìn)行糾正。正在研發(fā)室溫下的長(cháng)壽命量子存儲器，并利用量子糾錯技術(shù)糾正存儲中出現的錯誤。 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(zhù)技術(shù)的發(fā)展，量子互聯(lián)網(wǎng)的雛形將很快會(huì )出現，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)更多顛覆性的應用將會(huì )不斷涌現。 |
