圖為國盾量子公司展出的量子可信中繼站。視覺中國供圖
近日，美國紐約州立大學(xué)石溪分校科學(xué)家菲格羅阿等人在一篇發(fā)表于《自然·量子信息》上的論文中稱，他們通過把兩個(gè)獨(dú)立的光子存儲在銣氣里，首次在室溫條件下構(gòu)建了一個(gè)量子存儲器網(wǎng)絡(luò)。鑒于量子存儲器是量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)性技術(shù)，最新研究讓我們離量子互聯(lián)網(wǎng)又近了一步。
中山大學(xué)電子與通信工程學(xué)院教授孫仕海告訴科技日報(bào)記者：“相比于現(xiàn)有經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)，量子互聯(lián)網(wǎng)具有更靈敏的信息獲取能力，以及更安全、更快速的信息處理能力。”
鑒于量子互聯(lián)網(wǎng)的上述優(yōu)勢，美國、歐盟國家的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和大企業(yè)，已競相開始構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)。“但構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)不可能一蹴而就，還有很多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。”孫仕海強(qiáng)調(diào)。
信息處理更快更安全
量子互聯(lián)網(wǎng)究竟是“何方神圣”？
孫仕海介紹：“廣義上的量子互聯(lián)網(wǎng)是采用量子通信連接量子傳感器和量子計(jì)算機(jī)所形成的新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子傳感網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的總稱。”
量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器等量子設(shè)備都利用了量子態(tài)的疊加和糾纏兩大特性。比特作為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本信息處理單元，只能處于0和1兩種邏輯態(tài)中的一種。而作為量子信息基本單位的量子比特可以是1、0，以及兩者的疊加。因此量子計(jì)算機(jī)可以用遠(yuǎn)超傳統(tǒng)比特的密度，存儲和傳輸更多信息。量子比特還能發(fā)生糾纏，即兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子之間密不可分的聯(lián)系。愛因斯坦將量子糾纏稱為“幽靈般的超距作用”。
在上述兩大特性的加持下，擁有數(shù)以百萬計(jì)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的功能預(yù)計(jì)會比目前最快的超級計(jì)算機(jī)強(qiáng)大得多，因?yàn)榧m纏在一起的量子比特能同時(shí)進(jìn)行更多計(jì)算。
菲格羅阿也表示，量子互聯(lián)網(wǎng)擁有固有的安全性。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的通信可以被攔截或操縱，但量子糾纏理論提出，對其中一個(gè)粒子的任何觀測都會瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)，而任何攔截和讀取通過量子網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒌膰L試都等同于觀測，這將導(dǎo)致通過線路移動的量子比特疊加崩潰，從而“露出馬腳”，因此可被用來檢測任何潛在的竊聽行為。
美國能源部也曾指出，量子互聯(lián)網(wǎng)利用量子力學(xué)定律，和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，能更安全地傳輸信息，“幾乎不可破解”，未來將對科學(xué)、工業(yè)及國家安全等關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。美國芝加哥大學(xué)量子研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人戴維·奧沙洛姆則將量子互聯(lián)網(wǎng)稱為第二次量子革命。
量子互聯(lián)網(wǎng)提供的安全通信方式有望開辟更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的范疇。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)量子信息學(xué)教授斯特凡妮·魏納在接受歐洲《現(xiàn)代外交》雜志采訪時(shí)指出，如果量子互聯(lián)網(wǎng)建成了，天文學(xué)是可能受益的領(lǐng)域之一。執(zhí)行遠(yuǎn)距離觀測任務(wù)的望遠(yuǎn)鏡可以“利用量子互聯(lián)網(wǎng)讓傳感器與傳感器發(fā)生糾纏，以便生成更清晰的圖像”。
波士頓咨詢公司的一項(xiàng)調(diào)查稱，到2030年，后量子密碼學(xué)和量子通信市場的規(guī)模將達(dá)100億美元，與量子計(jì)算市場60億美元到120億美元的規(guī)模相當(dāng)。
大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)任重道遠(yuǎn)
理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感。
孫仕海認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)有很多關(guān)鍵技術(shù)待突破。首先，量子互聯(lián)網(wǎng)與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)在協(xié)議和架構(gòu)上具有一定的差異，如何構(gòu)建高效的量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)尚在研究中。其次，目前量子通信網(wǎng)絡(luò)的研究和建設(shè)主要還集中在量子密鑰分發(fā)等安全領(lǐng)域，研究如何使數(shù)據(jù)更安全傳輸，而通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面的研究還比較欠缺。
“最后，量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，除需要量子存儲、量子中繼等器件突破外，在高亮度糾纏源、高性能單光子探測、光電集成量子態(tài)調(diào)制解調(diào)芯片、針對量子器件的編程軟件等方面也亟待突破，需要進(jìn)一步降低這些器件的體積、功耗、成本等，以滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。”孫仕海進(jìn)一步解釋道。
菲格羅阿團(tuán)隊(duì)的研究正是在量子存儲器領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展。菲格羅阿表示，近年來建立的量子網(wǎng)絡(luò)都需要把溫度降至絕對零度才能運(yùn)行，這限制了實(shí)用性。而他們的最新研究比以往的成果更具可行性。不過，在室溫條件下，他們目前只能把量子比特存儲零點(diǎn)幾秒。而其他科學(xué)家在極低溫度下能將量子比特儲存1個(gè)多小時(shí)。
此外，建立更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)也充滿挑戰(zhàn)。專家認(rèn)為，量子信息由光子攜帶，后者通過光纖傳輸，就像現(xiàn)有的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)一樣。但最多“旅行”50公里到150公里后，這些光子就會被吸收。因此，目前科學(xué)家只能建立一個(gè)大都市規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)，而無法建造一個(gè)國家或世界規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。
鑒于此，菲格羅阿團(tuán)隊(duì)計(jì)劃下一步開發(fā)量子中繼器，這種裝置可以延長量子信號的傳輸距離，有助構(gòu)建大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)。
多國發(fā)力打造量子互聯(lián)網(wǎng)
據(jù)《回聲報(bào)》報(bào)道，為構(gòu)建更大規(guī)模的量子互聯(lián)網(wǎng)，多家大企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)以及大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)于2023年4月發(fā)起了“法國量子通信網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃，致力于打造法國“量子網(wǎng)絡(luò)的未來通信系統(tǒng)”，該計(jì)劃將持續(xù)30個(gè)月。
2023年，歐盟也啟動了名為“量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”的項(xiàng)目，匯集了歐洲各地的研究機(jī)構(gòu)和公司。該項(xiàng)目計(jì)劃在3年內(nèi)（截至2026年3月底）獲得2400萬歐元的歐盟資金。目前歐盟內(nèi)部同時(shí)有27個(gè)類似的項(xiàng)目正在測試。法國索邦大學(xué)物理學(xué)教授朱利安·洛拉表示，這些項(xiàng)目旨在發(fā)展國家基礎(chǔ)設(shè)施，然后在歐洲范圍內(nèi)連接成一個(gè)更大的量子網(wǎng)絡(luò)。
科學(xué)家也在全球多地開展量子互聯(lián)網(wǎng)方面的實(shí)驗(yàn)。據(jù)歐洲《現(xiàn)代外交》網(wǎng)站此前報(bào)道，2023年5月，奧地利因斯布魯克大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用量子物理學(xué)原理，沿著50公里長的光纖傳輸了量子信息。另據(jù)美國《大眾科學(xué)》月刊網(wǎng)站報(bào)道，亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司與哈佛大學(xué)合作，測試和開發(fā)量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，正在接受測試的量子網(wǎng)絡(luò)利用光子來實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的長距離通信。2022年夏天，芝加哥大學(xué)量子研究團(tuán)隊(duì)等也公布了一個(gè)長約200公里的量子網(wǎng)絡(luò)，用于測試發(fā)送量子信息的方法。2023年，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉等實(shí)現(xiàn)了光纖中1002公里點(diǎn)對點(diǎn)遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)，不僅創(chuàng)下了光纖無中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀(jì)錄，也提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。
科學(xué)家的目標(biāo)是，有朝一日通過光纖和衛(wèi)星連接，將目前在全球各地開展測試的量子通信網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)最終橫跨全球的量子互聯(lián)網(wǎng)雛形。
至于這一互聯(lián)網(wǎng)未來將給世界帶來什么天翻地覆的變化，人們只能拭目以待。正如芝加哥大學(xué)量子研究團(tuán)隊(duì)的格蘭特·史密斯所說，當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)的雛形首次面世時(shí)，人們沒有預(yù)料到電子商務(wù)的出現(xiàn)，目前我們也無法想象量子互聯(lián)網(wǎng)所有的潛在用途。
“當(dāng)然，量子互聯(lián)網(wǎng)也不能完全替代經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)。可以想象，即使在量子互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該也會存在經(jīng)典的傳感器和計(jì)算模塊。”孫仕海說。
（記者 劉 霞）