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量子互联网六阶段发展路线图出炉

2018-11-07 09:31:26 来源: 科技日报 作者: 刘霞

荷兰QuDelft实验室的量子网络中使用的一块硬件。图片来源:《自然》杂志官网

本报记者 刘 霞

利用量子物理学独特效应的量子互联网将与我们今天使用的经典互联网大相径庭,全世界有很多研究小组正致力于构建先进的量子互联网。

荷兰代尔夫特理工大学的量子研究团队近日在英国《自然》杂志上发布了一份报告,也可以说是一张路线图,阐述了量子互联网发展的各个阶段及其应用领域。

他们认为,量子互联网尽管还只是“小荷才露尖尖角”,但在成熟之前,其就有望在多个领域“大显身手”。第一阶段的量子互联网有望使通信获得几乎牢不可破的隐私和安全;而更成熟一点的量子互联网可实现一系列让传统网络系统“望洋兴叹”的科学应用,包括探测引力波等。

量子力学“如此美丽”

代尔夫特理工大学理论物理学家斯蒂芬妮·韦纳和同事大卫·埃尔库斯、罗纳德·汉森共同撰写了这份报告。他们认为,量子互联网可与现有互联网互补而非让其“下岗”,最终,它可供大学实验室等大型用户和个人消费者广泛使用。

当然,目前也有很多科学家在狂热地研发另一项技术——量子计算机,据信其计算速度和计算能力将远超传统计算机。

量子网络和量子计算共享许多概念和技术,两者都利用了经典物理学领域没有的现象。例如,电子或光子这样的等量子粒子可处于两种明确定义的旋转状态——顺时针或逆时针之一,也可同时处于这两种状态,这被称为“叠加”。此外,两个粒子可发生“纠缠”:即使两个粒子相距很远,其中一个粒子状态的改变也会影响另外一个粒子的状态。量子比特是量子信息的最小单位。

德国斯图加特大学的量子物理学家斯蒂芬妮·巴兹表示,广泛采用的量子互联网还是有用的量子计算机,很难预测哪种技术会捷足先登。但量子网络有一个很大的优势,“这样的网络可以逐步建立,并且可在每一步中添加不同的功能”。

研究人员称,该路线图还旨在为来自计算机科学、工程学和物理学等不同领域的研究人员创建一种共同语言。汉森说:“不同的人谈论量子网络可能意味着截然不同的事情。”

六个阶段路线图

在最新报告中,代尔夫特团队为量子互联网的发展制订了六个阶段。

最初阶段被称为“0阶段”。在这一阶段的网络中,用户能建立一个通用的加密密钥,以便安全地共享数据。量子物理学仅在幕后工作:服务提供商使用它来创建密钥。但提供商因此就知道了密钥,这意味着用户必须信任服务商。这种类型的网络已经存在。例如在中国,绵延2000多公里的这种网络连接了包括北京和上海在内的大城市。

在第一阶段,用户正式进入量子游戏,其中发送者创建量子状态(通常是光子)。这些量子状态或沿着光纤,或通过在开放空间中发射的激光脉冲被发送到接收器。在此阶段,任何两个用户都可以创建只有他们自己知道的私有加密密钥。该技术还使用户能将量子密码提交给诸如ATM之类的机器,如此一来,机器将能够在不知道密码是什么的情况下对密码进行验证,也无法窃取密码。

韦纳说,这一阶段尚未进行大规模试验,但在小城市规模上已具备了技术可行性,速度可能会非常缓慢。2017年,由中国科技大学潘建伟教授领导的小组创造了这种传输的世界纪录:当时他们用一颗卫星让两个相距1200多公里的实验室实现了量子连接。

在第二阶段,量子互联网将利用强大的纠缠现象。它的第一个目标是使量子加密基本上无法破解。这个阶段所需的大多数技术已经存在,至少可以实现基本的实验室演示。

在第三到第五阶段,量子互联网将首次使任何两个用户能存储和交换量子比特。

进入最后阶段,还需要几个突破。汉森的团队目前正致力于攻克这些难题。他们也致力于构建第一款“量子中继器”,以帮助量子比特在长距离和大范围内发生纠缠。

仍需假以时日

研究人员称,使用最高阶段量子互联网的首批“吃螃蟹者”可能是科学家本身。实验室将与第一台先进的量子计算机远程相连,或将这些量子计算机连接起来作为一台计算机。然后,他们可以使用这些系统进行经典计算机无法实现的实验,比如,模拟分子或材料的量子物理学。此外,量子时钟网络可以极大地提高引力波等现象的测量精度;遥远的光学望远镜可以将其上的量子比特连接在一起,让图像更加清晰。

这种网络当然也能在科学之外的领域“大展拳脚”。例如,在选举中,第五阶段的量子互联网让选民不仅可以选择一个候选人,还可选择候选人的“叠加”。哈佛—史密森尼天体物理中心物理学家尼科尔·云格尔·哈尔彭说,“量子选民”可以使用“传统选民无法实施的战略投票方案”。而且,量子技术可能有助于大型团体协调并达成共识,例如,验证比特币等电子货币。

耶鲁大学理论物理学家江梁(音译)表示,这份路线图对更广泛的量子群体有用,但它主要侧重于代尔夫特团队已经采用的技术;而江梁团队去年发表的研究表明,中小规模的量子网络可以基于微波而非激光脉冲。

这些应用程序是否真正有用?量子互联网是否有足够的实践使其可广泛使用?研究人员的意见并不一致。但有些人持乐观态度。韦纳说:“我毫不怀疑它会在某个时刻出现,但这仍需假以时日。”

(科技日报北京11月5日电)

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责任编辑: 夏青
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