易坊好文馆

  1. 首页 > 玩科技 >

信息|英媒：当我们驶上量子信息高速公路……

光子 信息 互联网 网络 量子 计算机 钻石 加密算法 比特 量子比特 英媒 达尔特·乔希 乔希

参考消息网7月7日报道英国《新科学家》周刊网站近日发表题为《量子互联网：各国竞相打造一个黑客无法攻破的网络世界》的文章 ， 作者是斯蒂芬·巴特斯比 。 全文摘编如下：
我们中的很多人把自己的生活上载到互联网上 。 银行账户数据、工作电邮、社交媒体、约会档案、病历……这些都是至关重要的敏感信息 。 因此 ， 互联网若有重大安全漏洞就会令人有点儿不安 。 别慌 ， 我们的私人信息暂时是安全的 。 但过不了多久 ， 在网上保护我们的加密算法就会瓦解 。
因此 ， 利用量子领域的力量构建一个更有安全保障的全新互联网势在必行 。 一旦建成后投入运行 ， 该系统所能做的将远远不只是保护我们的数据 。 它会给我们带来闻所未闻的量子应用程序 ， 或许我们还能在其基础上建造一台性能惊人的量子计算机 。
构建量子互联网是一个涉及方方面面的巨大工程挑战 ， 但基础已被奠定 。 光纤网络的规模在不断扩大 。 科学家们在悄悄谈论局域网 。 我们迟早都会驶上量子信息高速公路 。
盲量子计算风险低
我们知道 ， 在量子世界中 ， 粒子的行为方式会显得非常奇怪 。 原子、电子或光子可以处于属性待定的状态 。 例如 ， 其可以同时拥有两种不同的能量 。 这些量子态极其微妙 ， 但如果能学会操纵它们 ， 你就可以处理储存了量子信息单位（即量子比特）的粒子 。
人类在这方面不断增强的能力已催生出令人印象深刻的新技术 ， 比如超灵敏的引力和磁场探测器 。 物理学家现在能够同时控制数十个彼此相连的量子比特 ， 进而造出量子计算机的雏形 。 一旦这些计算机变得足够大 ， 它们就有望超越所有经典计算机——至少在进行某些类型的计算时是这样 。 量子计算机的用途很广 ， 比如它们应该能够通过模拟化学过程来设计新药和先进材料 ， 以及解决工程和物流中的棘手问题 。 其全部潜力还是未知数 。
我们所知道的是 ， 这些让人难以置信的机器意味着 ， 我们需要一个量子互联网 。 确保互联网安全的许多加密方案依托的是经典计算机不可能破解的数学难题 ， 比如分解大质数 。 但是 ， 利用美国麻省理工学院数学家彼得·肖尔1994年设计的算法 ， 一台足够大的量子计算机可以在瞬间做到这一点 。 从电邮到电网 ， 凡是依靠网络通信实现的东西都将安全不保 。 英国布里斯托尔大学的西达尔特·乔希说：“许多关键基础设施仍然依赖此类算法 。 ”
乔希等人想用量子比特来反击量子比特 。 如果你利用单个粒子的量子态进行通信 ， 那么有人窃听就会被你发现 ， 因为观察信号的行为会使微妙的量子态发生变化 。 这并不意味着要将互联网换掉 ， 而是在其上添加一层量子通信链路 ， 这样用户就可以通过共享密钥来使他们的在线交流保密 。
这种名为量子密钥分发（QKD）的量子加密法在过去几十年里多次得到演示 。 QKD有多种方案 ， 但最安全的一些方案均基于量子纠缠现象 。 先让两个量子比特处于一个共享的量子态 ， 这样一来 ， 无论两个粒子身处何地 ， 当其中一个量子比特的特性被测量时 ， 另一个的特性测量结果就会以可预测的方式发生变化 。 假设这两个量子比特是相互纠缠的两个光子 ， 通过光缆发送其中一个就能交换安全密钥 。
输送大量相互纠缠的量子比特的链路可以有更多的用途 ， 比如以完全的量子形式发送信息 。 它们还可以让用户远程运行量子计算机上的程序 ， 这样能保证安全 ， 就连计算机的所有者都无法窥探 。 这被称为盲量子计算 ， 它让任何人都能使用量子计算机 ， 却没有敏感数据失窃的风险 。
新兴网络正在出现
【信息|英媒：当我们驶上量子信息高速公路……】量子互联网的种子已经在荷兰代尔夫特的一个实验室播下 。 在那里 ， 3颗小钻石相互“窃窃私语” ， 形成了一个规模很小但功能齐全的纠缠链路网络蓝本 。 每颗钻石的碳原子晶格里都有一个缺陷 ， 里面有一个氮原子 。 这个位置上的一对电子会发出一个与它们相互纠缠的光子 。 每颗钻石还都有1量子比特的量子内存 ， 这样就可以进行基本的量子信息处理 。
在今年4月发表的一篇论文中 ， 荷兰量子技术研究中心的罗纳德·汉松及其团队证明 ， 他们可以把3颗钻石连接成网 ， 在它们之间传递量子信息 。 原则上 ， 这一技术可以扩展 ， 进而在任意数量的节点之间共享纠缠状态 。 汉松说：“这是量子互联网要发挥的基本功能 。 ”
硬件未必非钻石不可 。 其他研究团队正在探索处理和连接量子比特的各种不同方式 。 在英国布里斯托尔 ， 乔希的团队证明 ， 他们能够在彼此相距数公里的8个用户之间分发量子密钥 ， 这些用户都能收到来自同一个激光源的纠缠光子 。 乔希说 ， 将这一操作的对象扩大到一座城市里的数百人应该是可行的 。 到目前为止 ， 他已经演示了QKD和一些类似协议 。 但他说 ， 如果能用更复杂的模块来接收纠缠光子 ， 该网络将可以实现其他用途 ， 包括盲量子计算 。
其他许多新兴的量子网络正在出现 ， 例如在日本东京、加拿大卡尔加里和美国洛斯阿拉莫斯 。 这些网络一般只有两三个节点 ， 且只是QKD网络 。 但其适用距离在扩大 ， 有几个延伸到100公里以上 。 开发者的梦想是将范围扩大到能连接全球数以百万计的用户 ， 把安全性超强的密钥传送到各国、各大洲 。
要做到这一点几乎肯定需要借助现有的光缆网络 ， 但这就会遇到一个严重的障碍：光纤并非完全透明 。 即便使用最理想的光波长 ， 50公里长的光纤也会吸收大约90%的光子 。 这就把通过光纤发送量子信号的距离限制在区区几百公里以内 。 现如今的光纤网络使用放大器来增强信号 ， 但英国量子通信中心的负责人蒂姆·斯皮勒说：“量子信号不能通过放大器发送 。 ”事实上 ， 放大器会对信号进行测量 ， 那将破坏量子数据 。
技术难题尚待攻克
要将量子数据传送得更远更广 ， 我们需要一种名为量子中继器的设备 。 然而事实证明它们很难实现 。 不过 ， 在美国纽约州立大学斯托尼布鲁克分校 ， 伊登·菲格罗阿及其团队正开始拼凑大体轮廓 。 一个关键的组成部分是所谓的暂存式量子存储器 ， 它能捕获“飞行”中的量子比特 ， 将它保存到用于同步测量为止 。 菲格罗阿的量子存储器基于能利用光子有效地做到这一点的原子云 。
这些量子存储器在实用性方面有三大好处 。 首先 ， 它们便于携带 ， 只有40厘米厚；其次 ， 它们可以在室温下工作 ， 不像许多原子云设备那样对温度有严格要求；最后 ， 它们还能以正常的通信波长工作 。 为证明这一点 ， 研究团队去年将两台相距158公里的设备连接了起来 。
即使有了中继器的助力 ， 光纤量子互联网也还是不完整的 。 跨洋连接格外难 ， 因为现有的海底光缆都内置了放大器 ， 这会给量子比特带来“厄运” 。 如果你铺设一条专用的量子海底光缆 ， 它必须包含能可靠地运转很长时间的量子中继器 。
要在所有这些硬件的基础上构建一个覆盖全世界的量子网络 ， 我们需要能让我们像在经典互联网上那样轻松使用应用程序的软件 。 软件层层堆叠 ， 让数据围绕现有网络传输 ， 这样普通用户就无需担心管道问题 。 荷兰量子技术研究中心的斯特凡妮·魏纳就是致力于建立量子互联网堆叠的人之一 。 另外 ， 还有实际应用程序的问题 。 我们还不知道哪些是有可能实现的 。 全新的游戏类型？新奇的通信形式？
当这些非凡的技术降临这个世界时 ， 我们也许一开始注意不到 。 其影响应该主要是难题不复存在：银行账户不会无法登录 ， 选举活动不会遭黑客入侵 ， 灯光不会熄灭 。 渐渐地 ， 更多实实在在的好处将显现出来 ， 尤其是对科学而言 。
量子数据链路可以让望远镜即时交换信息 ， 使天文学家能够更清晰地观察宇宙 。 它们可以更精确地同步原子钟 ， 从而提高引力波探测器的灵敏度 。 将量子计算机连接起来以提高其性能的前景就更不用说了 。

    推荐阅读


    上一篇：市场|谁与争锋：打好云主机安全之战，中国云安全市场方大有可为

    下一篇：小宇|交通运输部主管中国交通报社主办