量子互聯網六階段發展路線圖出爐

量子互聯網六階段發展路線圖出爐

荷蘭QuDelft實驗室的量子網路中使用的一塊硬體。圖片來源:《自然》雜誌官網

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本報記者 劉 霞

利用量子物理學獨特效應的量子互聯網將與我們今天使用的經典互聯網大相徑庭,全世界有很多研究小組正致力於構建先進的量子互聯網。

荷蘭代爾夫特理工大學的量子研究團隊最近在英國《自然》雜誌上發布了一份報告,也可以說是一張路線圖,闡述了量子互聯網發展的各個階段及其應用領域。

他們認為,量子互聯網盡管還只是「小荷才露尖尖角」,但在成熟之前,其就有望在多個領域「大顯身手」。第一階段的量子互聯網有望使通信獲得幾乎牢不可破的隱私和安全;而更成熟一點的量子互聯網可做到一系列讓傳統網路系統「望洋興嘆」的科學應用,包括探測引力波等。

量子力學「如此美麗」

代爾夫特理工大學理論物理學家斯蒂芬妮·韋納和同事大衛·埃爾庫斯、羅納德·漢森共同撰寫了這份報告。他們認為,量子互聯網可與現有互聯網互補而非讓其「下崗」,最終,它可供大學實驗室等大型用戶和個人消費者廣泛使用。

當然,目前也有很多科學家在狂熱地研發另一項技術——量子計算機,據信其計算速度和計算能力將遠超傳統計算機。

量子網路和量子計算共享許多概念和技術,兩者都利用了經典物理學領域沒有的現象。例如,電子或光子這樣的等量子粒子可處於兩種明確定義的旋轉狀態——順時針或逆時針之一,也可同時處於這兩種狀態,這被稱為「疊加」。此外,兩個粒子可發生「糾纏」:即使兩個粒子相距很遠,其中一個粒子狀態的改變也會影響另外一個粒子的狀態。量子比特是量子信息的最小單位。

德國斯圖加特大學的量子物理學家斯蒂芬妮·巴茲表示,廣泛採用的量子互聯網還是有用的量子計算機,很難預測哪種技術會捷足先登。但量子網路有一個很大的優勢,「這樣的網路可以逐步建立,並且可在每一步中添加不同的功能」。

研究人員稱,該路線圖還旨在為來自計算機科學、工程學和物理學等不同領域的研究人員創建一種共同語言。漢森說:「不同的人談論量子網路可能意味著截然不同的事情。」

六個階段路線圖

在最新報告中,代爾夫特團隊為量子互聯網的發展制訂了六個階段。

最初階段被稱為「0階段」。在這一階段的網路中,用戶能建立一個通用的加密密鑰,以便安全地共享數據。量子物理學僅在幕後工作:服務提供商使用它來創建密鑰。但提供商因此就知道了密鑰,這意味著用戶必須信任服務商。這種類型的網路已經存在。例如在中國,綿延2000多公里的這種網路連接了包括北京和上海在內的大城市。

在第一階段,用戶正式進入量子遊戲,其中發送者創建量子狀態(通常是光子)。這些量子狀態或沿著光纖,或通過在開放空間中發射的雷射脈沖被發送到接收器。在此階段,任何兩個用戶都可以創建只有他們自己知道的私有加密密鑰。該技術還使用戶能將量子密碼提交給諸如ATM之類的機器,如此一來,機器將能夠在不知道密碼是什麼的情況下對密碼進行驗證,也無法竊取密碼。

韋納說,這一階段尚未進行大規模試驗,但在小城市規模上已具備了技術可行性,速度可能會非常緩慢。2017年,由中國科技大學潘建偉教授主管的小組創造了這種傳輸的世界紀錄:當時他們用一顆衛星讓兩個相距1200多公里的實驗室做到了量子連接。

在第二階段,量子互聯網將利用強大的糾纏現象。它的第一個目標是使量子加密基本上無法破解。這個階段所需的大多數技術已經存在,至少可以做到基本的實驗室演示。

在第三到第五階段,量子互聯網將首次使任何兩個用戶能存儲和交換量子比特。

進入最後階段,還需要幾個突破。漢森的團隊目前正致力於攻克這些難題。他們也致力於構建第一款「量子中繼器」,以幫助量子比特在長距離和大範圍內發生糾纏。

仍需假以時日

研究人員稱,使用最高階段量子互聯網的首批「吃螃蟹者」可能是科學家本身。實驗室將與第一台先進的量子計算機遠程相連,可能將這些量子計算機連接起來作為一台計算機。然後,他們可以使用這些系統進行經典計算機無法做到的實驗,比如,模擬分子或材料的量子物理學。此外,量子時鐘網路可以極大地提高引力波等現象的測量精度;遙遠的光學望遠鏡可以將其上的量子比特連接在一起,讓圖像更加清晰。

這種網路當然也能在科學之外的領域「大展拳腳」。例如,在選舉中,第五階段的量子互聯網讓選民不僅可以選擇一個候選人,還可選擇候選人的「疊加」。哈佛—史密森尼天體物理中心物理學家尼科爾·雲格爾·哈爾彭說,「量子選民」可以使用「傳統選民無法實施的戰略投票方案」。而且,量子技術可能有助於大型團體協調並達成共識,例如,驗證比特幣等電子貨幣。

耶魯大學理論物理學家江梁(音譯)表示,這份路線圖對更廣泛的量子群體有用,但它主要側重於代爾夫特團隊已經採用的技術;而江梁團隊去年發表的研究表明,中小規模的量子網路可以基於微波而非雷射脈沖。

這些應用程序是否真正有用?量子互聯網是否有足夠的實踐使其可廣泛使用?研究人員的意見並不一致。但有些人持樂觀態度。韋納說:「我毫不懷疑它會在某個時刻出現,但這仍需假以時日。」

(科技日報北京11月5日電)