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量子网络会不会取代互联网?各国发展如何?

时间:2020-06-22 10:33:49    来源:凤凰科技    
尽管量子信息产业仍处于萌芽状态,一张雄心勃勃的“量子互联网”构想已然成为严肃议题。

今年来,美国和欧盟先后出台重量级的量子技术战略性文件,均把“量子网络”(Quantum Network)和“量子互联网”(Quantum Internet)作为远景目标。

这个引人注目的概念实现了目前人类对所有量子技术想象的大一统,它是实现“量子云计算”的方式,它是量子信息传输和储存的平台,它是窃听必留痕迹的量子密码的交换渠道,它还能组建一台世界性原子钟,重新定义时间同步性。

在这个宏大意义上,中国在量子保密通信网络上虽然走在世界前沿,但仅仅迈出了“量子互联网”的第一步。尤其是长距离量子保密通信网络中的中继站点仍没有得到量子技术的充分保护,这个问题也是国际规划的主要发力点之一,需要量子纠缠、天基链路、量子存储等领域的技术突破。

为了便于理解其颠覆性,“量子互联网”常常与1960年代由美国军方研制,后来飞入寻常百姓家的互联网相提并论。不过,正如量子计算机不能取代经典计算机,不管是从其根本目的还是其经济成本来说,量子互联网并不会取代现有的互联网。

问题一:什么是量子互联网?

在美国白宫国家量子协调办公室今年2月份公开的《美国量子网络战略构想》(下简称“白宫量子构想”)中,比较笼统地将量子互联网描述为一张由量子计算机和其他量子设备组成的庞大网络。

该文件专门借用美国军方首创的互联网来描述量子互联网的颠覆性远景:“它将催化出许多新兴技术,从而加速现有互联网的发展,提高通信安全性,并使计算技术发生剧变。”

中国量子通信领域的领军人物、中科院院士潘建伟在2019年接受《国家科学评论》(NSR)专访时也以经典互联网引出了量子互联网:“众所周知,互联网是用于传递、处理和储存经典信息的全球性系统。量子互联网则可以对量子信息进行同样的传递、处理和存储。量子比特和量子纠缠(量子比特互相关联的状态)将是量子互联网的基本资源。”

欧洲量子技术旗舰计划3月发布的一份战略研究议程(下简称“欧洲量子议程”)的描述将上述两种说法串联拿起来:量子计算机、模拟器和传感器通过量子网络互联,分配信息和量子资源(如相干、纠缠),从而保障数字基础设施的安全。

我们可以总结出,量子互联网之所以冠以量子之名,实具备三大要点:一是该网络连接的设备是量子设备,二是该网络传输的资源是量子特性,三是该网络传输的方式依赖量子机制。

当然,像商用量子计算机这样的先进量子设备仍遥遥无期,要连接量子计算机的成熟量子互联网总体上确是未来概念。

问题二:量子互联网与量子保密通信网的关系是什么?

从现阶段看,中国在量子保密通信网的建设上走在世界前列。

潘建伟认为,量子互联网首要的实际任务是以一种无条件安全的方式进行全球性的密钥共享,也就是说,量子信息是完全防篡改的。

如果将随机产生的密码编码在光子的量子态上,依据量子不可克隆定理,一个未知的量子态不能够被精确地复制,一旦被测量就会被破坏。因此,一旦有人窃取并试图自行读取量子密钥,一定会被发现。只有使用双方约定的“打开方式”,才能得到正确的密码信息。

量子不可克隆定理虽然保证了这种量子密钥分发(QKD)技术被窃听必留痕迹,但也在工程上带来了无法像电信号一样被增强的难题。光子通过长距离光纤传输,必然会产生损耗。

2017年,全长2000余公里的世界首条量子保密通信骨干线路“京沪干线”开通,设置32个站点,采用“可信中继”方案,通过人工值守、网络隔离等手段保障中继站点内的信息安全。

虽然“可信中继”用经典技术手段防止了链路节点入侵,但相对于量子通信可理论证明的安全性,中继站还是“量子魔法”的断点,目前的“量子密码”需要时间来实现“纯量子链路”。

另一方面,量子保密通信传输的是随机生成的量子密钥,而非内容信息。

对照此前所说的量子互联网定义,它尚不能连接量子计算机等前沿量子设备,也不能传输纠缠等量子资源,传输机制并未实现完全的“量子化”。

“京沪干线”设备供应商科大国盾量子技术股份有限公司(以下简称国盾量子)总裁赵勇认为,各国推进的基于量子密钥分发(QKD)的量子保密通信网络就是“量子互联网”的初级阶段,首先实现信息安全方面的应用,最终的目标是“全量子网络”,将量子计算、量子传感和测量等功能融入进来,形成量子安全网络、分布式量子计算和量子传感网络。

“从初级到终极,信息安全应用的定位贯穿量子网络的始终,而量子密钥分发也将随着网络的升级而升级,贯穿始终。”他说道。

问题三:量子互联网需要哪些关键技术?

量子互联网远景需要量子通信、量子精密测量、量子计算等领域全方位的突破,鉴于一些国家已经开始构建初级的量子保密通信网络,要从这个领域切入实现突破,最关键的还是解决上文提到的“距离”问题。

一方面,要用量子中继器来取代人工保障的中继站,利用量子纠缠来实现量子态的远距离传送。

简单来说,处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变(比如人们对其进行测量),另一个的状态会瞬时发生相应改变,仿佛“心灵感应”。

假设信息的接收方和发送方各有一个光子,他们再各自派出一个与之纠缠的光子作为“中介”,让两个“中介”光子在中继站点纠缠起来,那么两者手中留下的光子也会形成纠缠关系。

这过程中,还需要解决量子储存、量子纠缠操作等复杂问题,与量子计算息息相关。可以说,量子中继器研究会助推量子计算的发展。

另一方面,高轨道的卫星可以作为天基中继站点,覆盖超长距离的量子网络。2017年,潘建伟团队利用世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”,成功将一对纠缠光子分发到距离1200千米的两个站点。

而据WIRED网站报道,NASA计划在2020年代中后期建立欧洲和北美之间的天基量子链路,可能先利用现成的国际空间站进行演示,实现精准时间的纠缠光子分发。

问题四:各国关于量子互联网的规划和进展如何?

厘清量子保密通信网络与量子互联网的关系,了解量子中继技术和天基链路的重要性之后,我们才容易理解美国和欧洲关于量子互联网的规划。

白宫量子构想提出,在未来5年中,美国公司和实验室将演示量子网络的基础科学和关键技术,从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道和探索跨洲际距离的天基纠缠分发。同时,将查明这些系统的潜在影响和改进的应用,以获得商业、科学、卫生和国家安全方面的益处。

未来20年远景则是量子互联网链路利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能,同时促进人类对纠缠作用的理解。

总投资10亿欧元的欧洲量子旗舰计划认为,实现量子网络的目的是超越短距离的量子密钥分发,充分发挥量子通信的潜力,最终走向全球量子互联网。为了分配纠缠资源,实现更复杂的应用,量子中继器是必要的。在这方面需要显著的研发投入。

欧洲量子旗舰计划在3年愿景中提到,利用QKD协议和可信节点网络开发天基量子密码;演示一个可作为未来量子中继器构成模块的初级链路。

中长期目标(6~10年愿景)包括:利用量子中继器演示800公里以上距离的量子通信;演示至少20个量子比特的量子网络节点;演示利用卫星链路产生纠缠等。

中国尚未提出量子互联网战略,但在2019年12月中共中央、国务院发布的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确:“加快量子通信产业发展,统筹布局和规划建设量子保密通信干线网,实现与国家广域量子保密通信骨干网络无缝对接,开展量子通信应用试点。”

在项目进展方面,今年2月,潘建伟团队在合肥演示了50公里远的量子存储器纠缠,刷新世界纪录。

同在伊利诺伊州的美国能源部阿贡和费米国家实验室有望成为美国量子互联网上的首两个节点,今夏将通过芝加哥郊区地下一段30英里长的光纤来试验性地交换量子信息,建立双向链路。

欧洲多个研究机构则已成立“量子互联网联盟”,计划近年在荷兰完成包含3-4个量子中继节点的链路演示,为未来的泛欧量子互联网勾勒蓝图。

问题五:量子互联网有哪些未来应用?

潘建伟在NSR访谈中提到,互联网的发明将人类带入信息时代,量子互联网则将提供另一个能够真正改变世界的机会。

例如,量子计算机会成为量子互联网的重要部分。量子计算机建造成本高昂,至少在早期,它将仅通过量子互联网提供公共服务。在这个场景中,用户能够通过量子互联网接入到量子计算机,通过传递量子比特上传任务并下载结果。这也就是量子云计算的概念。

哈佛大学量子物理学家Mikhail Lukin在2018年的一篇《自然》新闻报道中也表示,从现阶段来看,量子计算机需要通过互联来超越几百个量子比特的规模。

参与欧洲“量子互联网联盟”的荷兰科学家Ronald Hanson则补充道,更棒的是,量子云计算还得到了量子保密。

欧洲“量子互联网联盟”还展望了量子互联网在广义科学领域的变革性影响,例如把距离遥远的原子钟互联,大幅提高时间准确性。天文学家也可以解决甚长干涉基线中的时间同步问题,让距离遥远的望远镜强有力地合体。

问题六:量子互联网会否替代现有互联网?

正如科学家们建造量子计算机是为了更好地解决特定问题,而非普遍问题,量子互联网的目的不是替代现有互联网,也很难替代现有互联网。

欧洲量子旗舰计划认为,量子网络的作用是兼容、扩充现有的数字基础设施。

 

在实际应用中,量子密钥分发需要和密码算法结合使用,也需要通过“量子信道+经典信道”来完成:量子信道传输量子信号,经典信道交互从中提取安全密钥的处理方法。

因此,量子保密通信网络往往在现有的光纤网络基础设施(如中国电信等电信运营商)之上部署。

瑞士日内瓦大学Nicolas Gisin对《自然》说道:“现在的互联网绝不可能彻底量子化。”

加拿大滑铁卢大学物理学家Norbert Lütkenhaus也认为,有些想法乍一听很棒,但其实不用量子技术也能轻松实现。

赵勇对澎湃新闻表示:简化了理解,当前的互联网是“用于传递、处理和储存经典信息的全球性系统”,量子互联网则是对量子信息进行同样的传递、处理和存储。“量子互联网”不是对现有互联网的替代,而是在互联网上叠加新功能的基础设施。

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