学界 | Nature:量子互联网的出现将带来什么?

大数据文摘出品

编译:fuma、小七、云舟

一个物理学家团队曾在《Nature》上发文预测,未来的“量子互联网”可能在技术成熟之前就会开始应用。那么,神秘的量子互联网在应用端究竟有哪些优势呢?本文就将带你一探究竟。

量子互联网利用了量子物理学的独特效应,与我们今天使用的经典互联网有着根本的不同。其实早在量子物理学发展的早期阶段,世界各地的研究团队就已经展开了将其应用于互联网的研究工作。

在这个领域第一阶段的研究就能够保证通信时隐私的绝对安全; 一个更成熟的量子网络可能包含一系列科学应用,而这些应用是传统系统无法实现的,比如可以探测引力波的量子传感器等。

荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的一个著名的量子互联网研究团队现在发布了一个路线图,阐述了量子网络复杂性的各个阶段,并详细说明了每个层级所涉及的技术挑战。他们的路线图已在《Science》10月18日的期刊中发表。

链接:

http://science.sciencemag.org/content/362/6412/eaam9288

量子差异

研究人员认为,量子互联网这种技术是对现有互联网的一种补充,而不是取代,其最终将会扩展到大型用户中,如大学实验室和个人消费者,但是研究人员尚未明确实现这种转变的时间。

与之形成鲜明对比的是,物理学家们正在狂热地研究另一种未来主义技术——量子计算机,一个旨在建造能够超越传统计算机的机器。理论物理学家Stephanie Wehner说:“在量子计算领域,它要么成为统治者,要么只能沦为淘汰品!”她与Delft的同事David Elkouss和Ronald Hanson共同撰写了这篇论文。

德国斯图加特大学的量子物理学家Stefanie Barz对此表示赞同。她说,对于广泛采用的量子互联网和非常实用的量子计算机这两种技术,很难预测哪一个将首先出现,但是量子互联网有一个很大的优势,即量子互联网可以逐步建立,并且可以在每一阶段中添加不同的功能。”

由荷兰代尔夫特理工大学发布的路线图还旨在为涉及不同背景的研究人员建立一个共同语言,包括信息技术、计算机科学、工程学和物理学。Hanson说,“人们谈论的量子网络,其实意味着截然不同的事情,” Hanson是一位实验物理学家,也是Delft团队推动建立连接四个荷兰城市的量子互联网项目的领导人之一。

东京庆应义塾大学(Keio University)的量子网络工程师Rodney Van Meter表示,上述的论文有助于澄清该领域的目标。“它为我们提供了一个新的语言来理解我们正在研究的内容。”他说:“文档阐明应用程序的方式也可以帮助研究人员向潜在投资者解释他们的建议。通过这个路线图,我们就可以轻松进行这种对话。”

六个阶段

量子网络和量子计算共享许多概念和技术。两者都利用了量子力学特有的性质——量子纠缠,在经典物理学中并没有类似的现象。我们来举个例子吧,诸如电子或光子的量子粒子可以处于两种明确定义的旋转状态之一,顺时针或逆时针,但也可以同时组合两者,称为叠加。并且两个粒子可以“纠缠”,其中它们共享共同的量子态。这使得它们无论被相隔多远,都能相互协调共同作用(例如在相反方向上旋转)。

量子互联网的六个阶段

研究人员已经确定了未来量子互联网可以达到的六个复杂阶段,以及用户可以在每一阶段做什么。

0、可信节点网络:用户可以接收量子生成的代码但不能发送或接收量子状态。 任何两个最终用户都可以共享加密密钥(但服务提供商也会知道它)。

1、准备和测量:最终用户接收和测量量子态(但不一定涉及量子纠缠现象)。 两个最终用户只有在他们知道的情况下才能共享私钥。此外,用户可以在不泄露密码的情况下验证密码。

2、纠缠分布网络:任何两个最终用户都可以获得纠缠状态的量子(但不能存储它们)。这就提供了最强大的量子加密。

3、量子存储器网络:任何两个最终用户都能获取和存储处于纠缠态的量子比特(信息的量子单位),并且可以相互传送量子信息。这样的网络实现了云量子计算。

4&5、量子计算网络:网络设备是成熟的量子计算机(能够对数据传输进行纠错)。这些阶段将实现不同程度的分布式量子计算和量子传感器,并应用于科学实验。

Delft团队为量子互联网的发展规划了六个阶段:

第零阶段(Delft团队认为它没有描述真正的量子互联网,因此为第零阶段)是一个网络,使用户能够建立一个通用的加密密钥,以便他们可以安全地共享他们的数据。量子物理仅在幕后发生:服务提供商使用它来创建密钥。 但是提供者也知道密钥,这说明用户必须信任它。这种类型的网络事实上已经存在,尤其是在中国,它覆盖了2000多公里,连接了包括北京和上海在内的主要城市。

在第一阶段,用户将开始进入量子世界,发送者创建量子状态。这些量子将沿着光纤或者通过在开放空间中发射的激光脉冲发送到接收器。在此阶段,任何两个用户都可以创建只有他们知道的私有加密密钥。

该技术还将使用户能够将量子密码提交给诸如ATM之类的机器。机器将能够在不存储或者窃取密码的前提下验证密码。

Wehner说,“第一阶段尚未进行大规模试验,但在小城市规模上已经具备了技术可行性,尽管它会非常缓慢。” 由中国科技大学潘建伟领导的一个小组在2017年创造了这种传输的世界纪录,当时他们用一颗卫星连接了两个相距1200多公里的实验室。

在第二阶段,量子互联网将利用强大的量子纠缠现象来实现。它的第一个目标是使量子加密基本上牢不可破。这个阶段所需的大多数技术已经存在,在各地的实验室中已经可以进行基础演示了。

第三阶段到第五阶段将首次使任何两个用户能够存储和交换量子比特(简写为qubits)。量子比特是量子信息单位,类似于经典的1和0,但它们可以同时叠加1和0。量子比特也是量子计算的基础。(无论是在学术界还是在IBM或者google这样的大公司,都在构建越来越复杂的量子计算机;最先进的实验室拥有可以容纳几十个量子比特的存储器。)

最后阶段需要几个突破。Hanson的团队一直在该领域的最前沿努力着,并且正致力于构建第一个“量子中继器”。这种设备可以帮助在越来越大的距离上实现量子比特的纠缠。

量子时钟网络和量子选举

最高阶段网络的早期使用者可能是科学家自己。实验室可以远程连接到第一台高级量子计算机,或将这些机器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,例如模拟分子或材料的量子物理学。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连接它们的量子比特以锐化图像。

除了科学应用之外,量子互联网也有别的用武之处。在一次选举中,第五阶段的量子互联网可以让选民不只选择一个候选人,还能选择候选人的“叠加”,即选择第二个候选人。马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森尼天体物理中心的物理学家Nicole Yunger Halpern说,“使用量子网络选举的选民可以采用传统选举时无法实施的战略投票计划”。 量子技术还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。

康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学理论物理学家梁江表示,路线图对广泛的量子社区是很有借鉴意义的,但主要局限于Delft团队采用的技术类型。例如,梁江和他的同伴去年发表的理论表明,中小规模的网络可以基于微波而不是激光脉冲进行信息发送。

关于这些应用是否会真正实现,或者量子互联网是否足够复杂以使其广泛可用,研究人员的意见是不一致的。Wehner对此持正面态度,她表示:“我毫不怀疑它会在某个时刻实现,但是这可能这需要很长时间”。

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