量子互聯(lián)網(wǎng)六階段發(fā)展路線圖出爐

來源：科技日報 時間：2018-11-07 17:30:53 作者：劉霞

荷蘭QuDelft實驗室的量子網(wǎng)絡(luò)中使用的一塊硬件。圖片來源：《自然》雜志官網(wǎng)

利用量子物理學(xué)獨特效應(yīng)的量子互聯(lián)網(wǎng)將與我們今天使用的經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)大相徑庭，全世界有很多研究小組正致力于構(gòu)建先進(jìn)的量子互聯(lián)網(wǎng)。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子研究團隊近日在英國《自然》雜志上發(fā)布了一份報告，也可以說是一張路線圖，闡述了量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的各個階段及其應(yīng)用領(lǐng)域。

他們認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)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(lǐng)域“大顯身手”。第一階段的量子互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)一系列讓傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)“望洋興嘆”的科學(xué)應(yīng)用，包括探測引力波等。

量子力學(xué)“如此美麗”

代爾夫特理工大學(xué)理論物理學(xué)家斯蒂芬妮·韋納和同事大衛(wèi)·埃爾庫斯、羅納德·漢森共同撰寫了這份報告。他們認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)可與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)互補而非讓其“下崗”，最終，它可供大學(xué)實驗室等大型用戶和個人消費者廣泛使用。

當(dāng)然，目前也有很多科學(xué)家在狂熱地研發(fā)另一項技術(shù)——量子計算機，據(jù)信其計算速度和計算能力將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機。

量子網(wǎng)絡(luò)和量子計算共享許多概念和技術(shù)，兩者都利用了經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域沒有的現(xiàn)象。例如，電子或光子這樣的等量子粒子可處于兩種明確定義的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)——順時針或逆時針之一，也可同時處于這兩種狀態(tài)，這被稱為“疊加”。此外，兩個粒子可發(fā)生“糾纏”：即使兩個粒子相距很遠(yuǎn)，其中一個粒子狀態(tài)的改變也會影響另外一個粒子的狀態(tài)。量子比特是量子信息的最小單位。

德國斯圖加特大學(xué)的量子物理學(xué)家斯蒂芬妮·巴茲表示，廣泛采用的量子互聯(lián)網(wǎng)還是有用的量子計算機，很難預(yù)測哪種技術(shù)會捷足先登。但量子網(wǎng)絡(luò)有一個很大的優(yōu)勢，“這樣的網(wǎng)絡(luò)可以逐步建立，并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(xué)、工程學(xué)和物理學(xué)等不同領(lǐng)域的研究人員創(chuàng)建一種共同語言。漢森說：“不同的人談?wù)摿孔泳W(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)的發(fā)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(wǎng)絡(luò)中，用戶能建立一個通用的加密密鑰，以便安全地共享數(shù)據(jù)。量子物理學(xué)僅在幕后工作：服務(wù)提供商使用它來創(chuàng)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(wù)商。這種類型的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在。例如在中國，綿延2000多公里的這種網(wǎng)絡(luò)連接了包括北京和上海在內(nèi)的大城市。

在第一階段，用戶正式進(jìn)入量子游戲，其中發(fā)送者創(chuàng)建量子狀態(tài)（通常是光子）。這些量子狀態(tài)或沿著光纖，或通過在開放空間中發(fā)射的激光脈沖被發(fā)送到接收器。在此階段，任何兩個用戶都可以創(chuàng)建只有他們自己知道的私有加密密鑰。該技術(shù)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么的情況下對密碼進(jìn)行驗證，也無法竊取密碼。

韋納說，這一階段尚未進(jìn)行大規(guī)模試驗，但在小城市規(guī)模上已具備了技術(shù)可行性，速度可能會非常緩慢。2017年，由中國科技大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的小組創(chuàng)造了這種傳輸?shù)氖澜缂o(jì)錄：當(dāng)時他們用一顆衛(wèi)星讓兩個相距1200多公里的實驗室實現(xiàn)了量子連接。

在第二階段，量子互聯(lián)網(wǎng)將利用強大的糾纏現(xiàn)象。它的第一個目標(biāo)是使量子加密基本上無法破解。這個階段所需的大多數(shù)技術(shù)已經(jīng)存在，至少可以實現(xiàn)基本的實驗室演示。

在第三到第五階段，量子互聯(lián)網(wǎng)將首次使任何兩個用戶能存儲和交換量子比特。

進(jìn)入最后階段，還需要幾個突破。漢森的團隊目前正致力于攻克這些難題。他們也致力于構(gòu)建第一款“量子中繼器”，以幫助量子比特在長距離和大范圍內(nèi)發(fā)生糾纏。

仍需假以時日

研究人員稱，使用最高階段量子互聯(lián)網(wǎng)的首批“吃螃蟹者”可能是科學(xué)家本身。實驗室將與第一臺先進(jìn)的量子計算機遠(yuǎn)程相連，或?qū)⑦@些量子計算機連接起來作為一臺計算機。然后，他們可以使用這些系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)典計算機無法實現(xiàn)的實驗，比如，模擬分子或材料的量子物理學(xué)。此外，量子時鐘網(wǎng)絡(luò)可以極大地提高引力波等現(xiàn)象的測量精度；遙遠(yuǎn)的光學(xué)望遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)當(dāng)然也能在科學(xué)之外的領(lǐng)域“大展拳腳”。例如，在選舉中，第五階段的量子互聯(lián)網(wǎng)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(xué)家尼科爾·云格爾·哈爾彭說，“量子選民”可以使用“傳統(tǒng)選民無法實施的戰(zhàn)略投票方案”。而且，量子技術(shù)可能有助于大型團體協(xié)調(diào)并達(dá)成共識，例如，驗證比特幣等電子貨幣。

耶魯大學(xué)理論物理學(xué)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(cè)重于代爾夫特團隊已經(jīng)采用的技術(shù)；而江梁團隊去年發(fā)表的研究表明，中小規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)可以基于微波而非激光脈沖。

這些應(yīng)用程序是否真正有用？量子互聯(lián)網(wǎng)是否有足夠的實踐使其可廣泛使用？研究人員的意見并不一致。但有些人持樂觀態(tài)度。韋納說：“我毫不懷疑它會在某個時刻出現(xiàn)，但這仍需假以時日。”（記者 劉霞）

責(zé)任編輯：陳近梅