ICC訊 近日,美國能源部發(fā)布了題為《建立全國量子網(wǎng) 引領通信新時代》的報告,提出10年內建成全國性量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍圖,并希望借此確保美國處于全球量子競賽前列,引領通信新時代。
美國能源部方面稱,量子互聯(lián)網(wǎng)利用量子力學定律,能比現(xiàn)有網(wǎng)絡更安全地傳輸信息,“幾乎不可破解”,未來將對科學、工業(yè)以及國家安全的關鍵領域產(chǎn)生深遠影響。
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,會遭遇哪些“攔路虎”?
信息無法被竊取復制,安全系數(shù)最高
上海交通大學集成量子信息技術研究中心(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)點和鏈接各個節(jié)點的量子信道組成,用于實現(xiàn)各類量子增強的通信、計算和計量等技術?!耙恢币詠?,實際可用的量子互聯(lián)網(wǎng)是量子信息科學領域追尋的目標之一?!苯鹳t敏說。
早在2018年,《科學》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)絡的發(fā)展藍圖。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”的新型基礎設施。中國量子通信領域的領軍人物、中國科學院院士潘建偉2019年在接受媒體采訪時也提到了量子互聯(lián)網(wǎng),他說:“眾所周知,互聯(lián)網(wǎng)是用于傳遞、處理和儲存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網(wǎng)則可以對量子信息進行同樣的傳遞、處理和存儲。量子比特和量子糾纏(量子比特互相關聯(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,從實際應用的角度來看,量子互聯(lián)網(wǎng)的首要任務是以一種無條件安全的方式進行全球性的密鑰共享,如果將隨機產(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,一個未知的量子態(tài)不能夠被精確地復制,一旦被測量就會被破壞。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算,有望在多個領域大顯身手。美國能源部的報告顯示,其籌備建設的量子互聯(lián)網(wǎng)將首先應用于銀行和醫(yī)療服務部門,未來還有望在國家安全和飛機通信領域施展拳腳。報告中還提到,“最終,手機內使用量子網(wǎng)絡技術可能會對每個人的生活帶來廣泛影響”。
另外,創(chuàng)建超級靈敏的量子傳感網(wǎng)絡還有助于更好地檢測和預測地震,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的,不斷把量子計算、量子傳感、測量等各類功能融入進來,最終的目標是形成包括量子安全網(wǎng)絡、分布式量子計算和量子傳感網(wǎng)絡在內的“全量子網(wǎng)絡”。美國能源部在報告中稱,人們正在形成一個共識——量子互聯(lián)網(wǎng)是21世紀最重要的技術前沿之一。
引發(fā)全球關注,各國競相布局
鑒于量子互聯(lián)網(wǎng)安全性高、應用領域廣泛的特點,全球多個國家都在研發(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驗室和芝加哥大學的科學家在芝加哥郊區(qū)成功建立了一個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)絡之一。該網(wǎng)絡很快將與能源部費米實驗室連接,構成一個80英里的三節(jié)點試驗平臺。此外,石溪大學和布魯克海文國家實驗室聯(lián)手勞倫斯伯克利國家實驗室,已經(jīng)搭建了一個80英里長的量子網(wǎng)絡試驗平臺,同時正積極進行網(wǎng)絡的擴展工作。
量子互聯(lián)網(wǎng)也吸引了其他國家的關注。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)絡建設。
2016年5月,歐盟就提出了“歐洲量子技術旗艦計劃”,總投資約10億歐元,主要目標之一就是利用10年時間建成量子互聯(lián)網(wǎng)。
此外,據(jù)俄羅斯《消息報》網(wǎng)站今年4月份報道,俄羅斯將利用俄羅斯鐵路公司的基礎設施打造量子互聯(lián)網(wǎng)平臺,該平臺試驗區(qū)將在2021年啟動,金融機構、國家集團、生產(chǎn)企業(yè)和基礎設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,并在量子通信領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”項目通過總技術驗收;今年6月,中國科學技術大學潘建偉研究團隊利用全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”,在國際上首次實現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里級量子保密通信。
金賢敏認為,這些成就對于我國構建量子互聯(lián)網(wǎng)具有重要意義,同時也標志著我國量子互聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展已經(jīng)處于國際先進水平。
走向實用化,關鍵在中繼器
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:“對于量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的挑戰(zhàn),科學家們一直致力于解決兩個關鍵問題,一是光子通過長距離光纖傳輸,在傳播中的損耗會隨距離呈指數(shù)型增加;二是光量子態(tài)的產(chǎn)生具有概率性。這兩個問題使得量子互聯(lián)網(wǎng)的實際運行效率很低?!?
據(jù)了解,量子互聯(lián)網(wǎng)需要量子通信、量子精密測量、量子計算等領域全方位的突破。金賢敏表示,從長遠來看,將真正的全量子互聯(lián)網(wǎng)推向實用化的關鍵仍然在于量子中繼器。
簡單來說,處于糾纏態(tài)的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯(lián),其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變(比如人們對其進行測量),另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應改變。假設信息的接收方和發(fā)送方各有一個光量子,它們再各自派出一個與之糾纏的光量子作為“中介”,讓兩個“中介”光量子在中繼器糾纏起來,那么兩個留下的光量子也會形成糾纏關系。
在信息通信領域中,量子中繼器是一個廣泛的概念,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等基本技術實現(xiàn)對量子態(tài)的糾纏操縱,幫助信息傳輸?shù)礁h的距離,從而突破量子通信距離的限制。
今年3月,哈佛大學和麻省理工學院的研究人員在《自然》雜志發(fā)表了一項研究成果,其中提到,本質上來講,量子中繼器是一種小型的專用量子計算設備,它必須能夠有效地捕獲和處理量子信息,并將其存儲足夠長的時間,以將信息傳輸至數(shù)千公里之外。
金賢敏研究團隊一直致力于量子中繼器走向實用化的關鍵問題研究,并實現(xiàn)了一種混合架構的、可在室溫下運行的寬帶量子存儲網(wǎng)絡,這對于量子互聯(lián)網(wǎng)的實際應用具有重要意義。據(jù)介紹,該成果已于今年上半年在《科學》雜志子刊《科學進展》上發(fā)表。
金賢敏進一步指出:“構建可實際應用的量子存儲器,挑戰(zhàn)來自于需要同時滿足高存儲帶寬、長壽命、高效率和低噪音等指標,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的一步?!?
在量子技術日趨成熟和接近商用的今天,我國的量子技術研究不斷取得突破?!拔磥?,我們期待充分挖掘基于實際可用的量子中繼器的量子互聯(lián)網(wǎng),能夠通過構建更多節(jié)點和提升節(jié)點性能的方式,使得量子互聯(lián)網(wǎng)具有完全可擴展性和豐富的量子信息處理能力。通過共同努力,最終實現(xiàn)全球量子互聯(lián)網(wǎng)?!苯鹳t敏如是說。