量子互聯網時代就要來了？

劉霞

近日，美國能源部發布了題為《建立全國量子網 引領通信新時代》的報告，提出10年內建成全國性量子互聯網的戰略藍圖，并希望借此確保美國處于全球量子競賽前列，引領通信新時代。

美國能源部方面稱，量子互聯網利用量子力學定律，能比現有網絡更安全地傳輸信息，“幾乎不可破解”，未來將對科學、工業以及國家安全的關鍵領域產生深遠影響。

消息一出，就引發了眾多疑問：量子互聯網究竟是什么？它將給世界和我們的日常生活帶來哪些影響？在發展量子互聯網的路上，會遭遇哪些“攔路虎”？

信息無法被竊取復制，安全系數最高

上海交通大學集成量子信息技術研究中心（IQIT）主任金賢敏解釋說，量子互聯網由大規模分布的量子節點和鏈接各個節點的量子信道組成，用于實現各類量子增強的通信、計算和計量等技術。“一直以來，實際可用的量子互聯網是量子信息科學領域追尋的目標之一。”金賢敏說。

早在2018年，《科學》雜志就曾發表文章《量子互聯網：發展愿景》，其中描述了量子通信網絡的發展藍圖。文章稱，量子互聯網不是現有互聯網的簡單替代，而是為其加上“盾牌”的新型基礎設施。中國量子通信領域的領軍人物、中國科學院院士潘建偉2019年在接受媒體采訪時也提到了量子互聯網，他說：“眾所周知，互聯網是用于傳遞、處理和儲存經典信息的全球性系統。量子互聯網則可以對量子信息進行同樣的傳遞、處理和存儲。量子比特和量子糾纏（量子比特互相關聯的狀態）將是量子互聯網的基本資源。”

美國能源部的報告中提到，由于量子互聯網具有特殊的訪問方式，每一次訪問都會留下不可磨滅的“痕跡”，因此其被稱為“最安全的互聯網”。據潘建偉解釋，從實際應用的角度來看，量子互聯網的首要任務是以一種無條件安全的方式進行全球性的密鑰共享，如果將隨機產生的密碼編碼在光子的量子態上，依據量子不可克隆定理，一個未知的量子態不能夠被精確地復制，一旦被測量就會被破壞。因此，一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，就一定會被發現。

據了解，量子互聯網不僅可用來傳輸加密信息，還能支持基于云的量子計算，有望在多個領域大顯身手。美國能源部的報告顯示，其籌備建設的量子互聯網將首先應用于銀行和醫療服務部門，未來還有望在國家安全和飛機通信領域施展拳腳。報告中還提到，“最終，手機內使用量子網絡技術可能會對每個人的生活帶來廣泛影響”。

另外，創建超級靈敏的量子傳感網絡還有助于更好地檢測和預測地震，或者尋找地下的石油、天然氣或者礦產。

據專家介紹，量子互聯網是一步一步向前演進的，不斷把量子計算、量子傳感、測量等各類功能融入進來，最終的目標是形成包括量子安全網絡、分布式量子計算和量子傳感網絡在內的“全量子網絡”。美國能源部在報告中稱，人們正在形成一個共識——量子互聯網是21世紀最重要的技術前沿之一。

引發全球關注，各國競相布局

鑒于量子互聯網安全性高、應用領域廣泛的特點，全球多個國家都在研發這種新型通信方式。

據悉，今年2月，美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學的科學家在芝加哥郊區成功建立了一個52英里的糾纏光子“量子環”，這是美國迄今最長的陸基量子網絡之一。該網絡很快將與能源部費米實驗室連接，構成一個80英里的三節點試驗平臺。此外，石溪大學和布魯克海文國家實驗室聯手勞倫斯伯克利國家實驗室，已經搭建了一個80英里長的量子網絡試驗平臺，同時正積極進行網絡的擴展工作。

量子互聯網也吸引了其他國家的關注。荷蘭、加拿大、日本、韓國、俄羅斯等國以及歐盟也在加緊部署量子網絡建設。

2016年5月，歐盟就提出了“歐洲量子技術旗艦計劃”，總投資約10億歐元，主要目標之一就是利用10年時間建成量子互聯網。

此外，據俄羅斯《消息報》網站今年4月份報道，俄羅斯將利用俄羅斯鐵路公司的基礎設施打造量子互聯網平臺，該平臺試驗區將在2021年啟動，金融機構、國家集團、生產企業和基礎設施可能成為首批用戶。

近年來，我國也在大力發展量子通信技術，并在量子通信領域取得了舉世矚目的成就：2017年，全長2000余公里的世界首條量子保密通信骨干線路“京滬干線”項目通過總技術驗收;今年6月，中國科學技術大學潘建偉研究團隊利用全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，在國際上首次實現基于糾纏的無中繼千公里級量子保密通信。

金賢敏認為，這些成就對于我國構建量子互聯網具有重要意義，同時也標志著我國量子互聯網的研究與發展已經處于國際先進水平。

走向實用化，關鍵在中繼器

然而，量子互聯網的發展之路并非一條坦途。

金賢敏指出：“對于量子互聯網發展中的挑戰，科學家們一直致力于解決兩個關鍵問題，一是光子通過長距離光纖傳輸，在傳播中的損耗會隨距離呈指數型增加;二是光量子態的產生具有概率性。這兩個問題使得量子互聯網的實際運行效率很低。”

據了解，量子互聯網需要量子通信、量子精密測量、量子計算等領域全方位的突破。金賢敏表示，從長遠來看，將真正的全量子互聯網推向實用化的關鍵仍然在于量子中繼器。

簡單來說，處于糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變（比如人們對其進行測量），另一個的狀態會瞬時發生相應改變。假設信息的接收方和發送方各有一個光量子，它們再各自派出一個與之糾纏的光量子作為“中介”，讓兩個“中介”光量子在中繼器糾纏起來，那么兩個留下的光量子也會形成糾纏關系。

在信息通信領域中，量子中繼器是一個廣泛的概念，它就像信息高速公路上的“加油站”，主要通過糾纏交換、糾纏純化和量子存儲等基本技術實現對量子態的糾纏操縱，幫助信息傳輸到更遠的距離，從而突破量子通信距離的限制。

今年3月，哈佛大學和麻省理工學院的研究人員在《自然》雜志發表了一項研究成果，其中提到，本質上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計算設備，它必須能夠有效地捕獲和處理量子信息，并將其存儲足夠長的時間，以將信息傳輸至數千公里之外。

金賢敏研究團隊一直致力于量子中繼器走向實用化的關鍵問題研究，并實現了一種混合架構的、可在室溫下運行的寬帶量子存儲網絡，這對于量子互聯網的實際應用具有重要意義。據介紹，該成果已于今年上半年在《科學》雜志子刊《科學進展》上發表。

金賢敏進一步指出：“構建可實際應用的量子存儲器，挑戰來自于需要同時滿足高存儲帶寬、長壽命、高效率和低噪音等指標，更重要的是能夠在室溫條件下工作，這是艱難而又意義深遠的一步。”

在量子技術日趨成熟和接近商用的今天，我國的量子技術研究不斷取得突破。“未來，我們期待充分挖掘基于實際可用的量子中繼器的量子互聯網，能夠通過構建更多節點和提升節點性能的方式，使得量子互聯網具有完全可擴展性和豐富的量子信息處理能力。通過共同努力，最終實現全球量子互聯網。”金賢敏如是說。