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目前美國、歐盟紛紛布局量子網(wǎng)絡。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(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)絡技術的逐步普及，我們將會進入萬物互聯(lián)的新時代。很多人都很好奇，5G之后新一代的互聯(lián)網(wǎng)技術會是什么樣呢？是6G、7G網(wǎng)絡，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�！傲孔踊ヂ�(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)絡很可能會是下一代網(wǎng)絡技術的關鍵。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)包含兩個關鍵詞：“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。量子物理學是從20世紀初發(fā)展起來的一門學問。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，進而幫助人們深刻地理解了微觀世界物質運動的規(guī)律。只有掌握了這些規(guī)律，人們才能發(fā)明晶體管、半導體芯片以及大規(guī)模集成電路技術，用于制造功能越來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，從而實現(xiàn)全球互聯(lián)。總之，量子物理學不僅是信息時代的基礎，也是全球互聯(lián)網(wǎng)的基礎。 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)絡便捷地分享。今天通過移動互聯(lián)網(wǎng)，我們可以隨時隨地拍攝一段視頻，并發(fā)布在網(wǎng)上。 互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)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(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，在過去的三十多年中得到了迅猛發(fā)展。最近十年，中國人在這項技術的發(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等，都極大地直接推動了量子保密通信的應用落地，與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)的信息安全，很自然的，我們會想，如果用量子技術對互聯(lián)網(wǎng)進行整體的升級，實現(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1兩個狀態(tài)，但同時遵循量子的規(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：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，不用移動承載量子信息的物質實體（比如說光子），就能實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)運行時，也離不開經(jīng)典信息網(wǎng)絡的輔助，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)絡還有望實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)上，利用相互糾纏的量子網(wǎng)絡節(jié)點，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�；诹孔泳W(wǎng)絡可以實現(xiàn)更加精準的全球時鐘標準，使得網(wǎng)絡中不同節(jié)點間時鐘同步更加穩(wěn)定，各個節(jié)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(xiàn)的全球量子時鐘基準將會出現(xiàn)顛覆性的提升。不僅如此，基于量子網(wǎng)絡的時鐘基準，具有很高的安全性，能探測敵人對網(wǎng)絡節(jié)點的攻擊。利用量子網(wǎng)絡所實現(xiàn)的時間基準一旦用于北斗全球定位系統(tǒng)，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(wǎng)絡實現(xiàn)全新的傳感方式將會是未來量子互聯(lián)網(wǎng)的重要應用。 建造量子互聯(lián)網(wǎng)的終極目標是實現(xiàn)分布式量子計算網(wǎng)絡。盡管量子計算機已經(jīng)展現(xiàn)出超越經(jīng)典計算機的能力，但是每個節(jié)點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(jié)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(xiàn)可靠的分布式量子計算，關鍵是在量子網(wǎng)絡上實現(xiàn)量子糾錯（量子系統(tǒng)最本質的特性———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，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(xiàn)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(xiàn)的錯誤及時加以監(jiān)控并糾正）�？偟膩碚f，量子網(wǎng)絡在量子計算上的應用，目前還是著眼于基礎研究。 ★ ★ ★ 實現(xiàn)全球量子互聯(lián)網(wǎng)：前有三大“攔路虎” 要實現(xiàn)大規(guī)模的量子網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)全球量子互聯(lián)網(wǎng)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(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，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(wǎng)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(wǎng)絡的其余部分準備就緒。 量子網(wǎng)絡終極的應用是實現(xiàn)分布式量子計算網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)絡節(jié)點上的長時間存儲�？偟膩碚f，要實現(xiàn)全量子網(wǎng)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(xiàn)量子信息在微波與光學波段光子之間的高效轉化。 已經(jīng)實現(xiàn)微波光子與光學光子的轉化，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。要實現(xiàn)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(jù)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(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點之間量子糾纏的放大。 實現(xiàn)量子中繼器的關鍵是量子糾纏分發(fā)。目前已實現(xiàn)相距幾十公里，通過光纖連接的兩個節(jié)點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(jīng)實現(xiàn)小時量級的量子存儲器，但需要超低溫環(huán)境，且無法對錯誤進行糾正。正在研發(fā)室溫下的長壽命量子存儲器，并利用量子糾錯技術糾正存儲中出現(xiàn)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，隨著技術的發(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)更多顛覆性的應用將會不斷涌現(xiàn)。 |
