量子互联网时代即将到来？

2020-08-19 11:48
科技日报

最近，美国能源部发布了一份名为《建立全国量子网引领通信新时代》的报告，该报告提出了在10年内建设全国性量子互联网的战略蓝图，希望确保美国在全球量子竞争中走在前列，引领一个新的通信时代。

根据美国能源部的说法，量子互联网通过使用量子力学定律可以比现有网络更安全地传输信息，这“几乎是牢不可破的”，并将对未来科学、工业和国家安全等关键领域产生深远的影响。

消息一出来，许多问题就出现了：什么是量子互联网？它会对世界和我们的日常生活产生什么影响？在量子互联网的发展中，你会遇到什么样的“障碍”？

信息不能被窃取和复制，安全系数是最高的

上海交通大学综合量子信息技术研究中心主任金贤民解释说，量子互联网由大规模分布的量子节点和连接每个节点的量子信道组成，用于实现各种量子增强型通信、计算和测量技术。“实际可用的量子互联网一直是量子信息科学领域追求的目标之一。”金贤民说。

早在2018年，《科学》杂志就发表了《量子互联网：发展愿景》文章，描述了量子通信网络的发展蓝图。根据这篇文章，量子互联网不是现有互联网的简单替代品，而是一个新的基础设施，为它增加了一个“盾牌”。中国量子通信领域的领军人物、中国科学院院士潘建伟在2019年接受媒体采访时也提到了量子互联网。他说：“众所周知，互联网是一个传输、处理和存储经典信息的全球系统。量子互联网可以以同样的方式传输、处理和存储量子信息。量子比特和量子纠缠(量子比特相互关联的状态)将是量子互联网的基本资源。”

根据美国能源部的报告，量子互联网被称为“最安全的互联网”，因为它有一个特殊的访问模式，每次访问都会留下不可磨灭的“痕迹”。根据潘建伟的解释，从实际应用的角度来看，量子互联网的首要任务是以无条件安全的方式共享全局密钥。如果随机生成的密码被编码在光子量子态上，根据量子不可克隆定理，一个未知的量子态不能被精确复制，一旦被测量，它将被破坏。因此，一旦有人偷窃并试图自己读取量子密钥，他们就会被发现。

据了解，量子互联网不仅可以传输加密的信息，还可以支持基于云的量子计算，这有望在许多领域显示其才能。根据美国能源部的报告，它准备建造的量子互联网将首先应用于银行和医疗服务领域，并有望在未来的国家安全和飞机通信领域发挥其影响力。报告还提到，“最终，量子网络技术在手机中的应用可能会对每个人的生活产生广泛的影响。”

此外，超灵敏量子传感器网络的建立有助于更好地探测和预测地震，或者寻找地下石油、天然气或矿物。

据专家介绍，量子互联网正在逐步演进，集成了量子计算、量子传感和测量等多种功能，最终目标是形成一个包括量子安全网络、分布式量子计算和量子传感网络在内的“全量子网络”。美国能源部在其报告中称，人们正在形成一种共识，即量子互联网是21世纪最重要的技术前沿之一。

引起全球关注，各国竞相布局

鉴于量子互联网的高安全性和广泛应用，世界上许多国家都在发展这种新的通信模式。

据悉，今年2月，美国能源部阿尔贡国家实验室和芝加哥大学的科学家在芝加哥郊区成功建立了一个52英里长的纠缠光子“量子环”，这是迄今为止美国最长的陆基量子网络之一。该网络将很快与能源部的费米实验室连接，形成一个80英里的三节点测试平台。此外，石溪大学和布鲁克海文国家实验室与劳伦斯伯克利国家实验室共同搭建了一个80英里的量子网络实验平台，并正在积极拓展网络。

量子互联网也引起了其他国家的关注。荷兰、加拿大、日本、韩国、俄罗斯等国以及欧盟也在加紧部署量子网络。

2016年5月，欧盟提出“欧洲量子技术旗舰计划”，总投资约10亿欧元。它的主要目标之一是在10年内建立一个量子互联网。

此外，据俄罗斯网站《消息报》报道，今年4月，俄罗斯将利用俄罗斯铁路公司的基础设施建设一个量子互联网平台。该平台的试验区将于2021年启动，金融机构、国有集团、生产企业和基础设施可能成为首批用户。

近年来，中国也在大力发展量子通信技术，并在量子通信领域取得了显著成就：2017年，全球首条量子保密通信主干线、总长2000多公里的“京沪干线”工程通过了总技术验收；今年6月，中国科技大学潘建伟研究团队利用世界上第一颗量子科学实验卫星——墨子，实现了世界上第一个基于纠缠的无中继千公里量子保密通信。

金贤民认为，这些成果对我国量子互联网的建设具有重要意义，也标志着我国量子互联网的研发已经达到了国际先进水平。

实际应用的关键在于中继器

然而，量子互联网的发展道路并不平坦。

金贤民指出：“对于量子互联网发展中的挑战，科学家们一直在努力解决两个关键问题。首先，光子通过长距离光纤传输，传输损耗将随距离成指数增长；第二，光量子态的产生是概率性的。这两个问题使得量子互联网的实际运行效率非常低。”

据了解，量子互联网需要在量子通信、量子精密测量和量子计算方面的全面突破。金贤民说，从长远来看，推动真正的全量子互联网投入实际使用的关键仍然在于量子中继器。

简而言之，无论两个量子相距多远，都有一种关系，其中一个量子态改变(例如，人们测量它)，另一个量子态瞬间改变。假设信息的接收方和发送方各有一个光量子，它们各自发送一个纠缠的光量子作为“中介”，这样两个“中介”光量子在中继器中纠缠，那么剩下的两个光量子也将形成纠缠关系。

在信息通信领域，量子中继器是一个宽泛的概念，就像信息高速公路上的“加油站”。它主要通过纠缠交换、纠缠纯化和量子存储来实现量子态的纠缠操纵，帮助信息传输到更远的距离，从而突破量子通信距离的限制。

今年3月，哈佛大学和麻省理工学院的研究人员在《自然》杂志上发表了一项研究成果，其中提到，从本质上来说，量子中继器是一种小型的特殊量子计算设备，它必须能够有效地捕捉和处理量子信息，并将其存储足够长的时间，以传输数千公里以外的信息。