多国紧急部署，"史上最安全"的量子互联网什么样？

　　目前美国、欧盟纷纷布局量子网络。什么是量子互联网？除了高安全性，还拥有哪些优良性能？规模应用还面临哪些障碍？来看专家解读。

　　文章来源：科普中央厨房 | 北京科技报

　　撰文/尹璋琦（北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授）

　　编辑/吉菁菁 新媒体编辑/陈炫之

　　自1969年互联网发明以来，它已经彻底地改变了人类的生活和社会形态。今后几年随着5G网络技术的逐步普及，我们将会进入万物互联的新时代。很多人都很好奇，5G之后新一代的互联网技术会是什么样呢？是6G、7G网络，还是什么别的？


　　▲量子互联网想象图

　　今年2月，美国白宫国家量子协调办公室发布了美国政府的量子网络战略展望，7月底，美国能源部发布了美国量子互联网的蓝图。今年5月，欧盟也发布了自身的量子互联网战略愿景。“量子互联网”成为了科技媒体上热门的词汇。这么多国家的政府都不约而同地对量子互联网产生了浓厚的兴趣，量子网络很可能会是下一代网络技术的关键。那什么是量子互联网？让我们从头说起。

　　为什么我们需要量子互联网？

　　量子互联网包含两个关键词：“量子”与“互联网”。量子在这里指的是量子物理特有的规律。量子物理学是从20世纪初发展起来的一门学问。量子物理理论一经创立，就成功地解释了原子发光光谱等问题，进而帮助人们深刻地理解了微观世界物质运动的规律。只有掌握了这些规律，人们才能发明晶体管、半导体芯片以及大规模集成电路技术，用于制造功能越来越强大的电子计算机。基于量子物理，人们发明了激光并用于光纤通信，从而实现全球互联。总之，量子物理学不仅是信息时代的基础，也是全球互联网的基础。

　　互联网出现四十多年，其容量、速度和广度一直在迅猛发展。最开始互联网的速度太慢，只适合传输文字信息，后来图片、语音、视频等都能通过网络便捷地分享。今天通过移动互联网，我们可以随时随地拍摄一段视频，并发布在网上。

　　互联网技术极大地提升了人们的生活品质和社会的运行效率，但不可避免地也带来了很多新的问题，比如网络时代的信息安全问题，身份认证问题等。解决这些问题的通行办法是密码学家发明的公共密钥协议。1994年，能够高效破解RSA公共密钥协议的Shor量子算法发明后，公共密钥协议的安全性开始被动摇。幸好，1984年人们就发明了基于量子物理的BB84密码协议，它的安全性完全由量子物理的基本特性所保证，不会被量子计算所攻破：量子的“矛”正好被量子的“盾”抵挡。

　　由BB84协议发展而来的量子保密通信技术，在过去的三十多年中得到了迅猛发展。最近十年，中国人在这项技术的发展中发挥了重要作用，比如“墨子号”量子卫星发射成功，京沪量子通信干线的建设等，都极大地直接推动了量子保密通信的应用落地，与现有的互联网结合起来，保障用户的信息安全。

　　既然量子物理与密码学融合而来的量子保密通信技术，可极大地提升互联网的信息安全，很自然的，我们会想，如果用量子技术对互联网进行整体的升级，实现全量子的互联网，也许就能做更多传统互联网做不了的事情。

　　★ ★ ★

　　全新传感方式，更精准更安全

　　那量子互联网到底能做什么事情呢？首先，它可以用来传递量子信息。量子信息的基本单元是量子比特，如同经典量子比特那样，它也有0和1两个状态，但同时遵循量子的规律，可以处于0和1的量子叠加态。

　　最神奇的是，相距遥远的量子比特之间，还可以处于量子纠缠态。量子互联网的基础是量子隐形传态（Quantum Teleportation）技术：它基于量子物理基本原理，利用量子纠缠作为资源和经典通信的辅助，不用移动承载量子信息的物质实体（比如说光子），就能实现相距遥远的两点之间的量子信息的传递。由此可以预计，未来的量子互联网运行时，也离不开经典信息网络的辅助，量子互联网与经典互联网是并行不悖的。


　　▲量子隐形传态示意图

　　其次，利用量子网络还有望实现全新的传感技术，在军事国防上有重大的应用潜力。在量子互联网上，利用相互纠缠的量子网络节点，能够带来传感灵敏度的极大提升，超越经典测量理论的极限。基于量子网络可以实现更加精准的全球时钟标准，使得网络中不同节点间时钟同步更加稳定，各个节点时钟的误差可以被实时测定并修正。利用量子纠缠作为资源，所实现的全球量子时钟基准将会出现颠覆性的提升。不仅如此，基于量子网络的时钟基准，具有很高的安全性，能探测敌人对网络节点的攻击。利用量子网络所实现的时间基准一旦用于北斗全球定位系统，将会极大提升其授时、定位精度与安全性。我相信利用量子网络实现全新的传感方式将会是未来量子互联网的重要应用。

　　建造量子互联网的终极目标是实现分布式量子计算网络。尽管量子计算机已经展现出超越经典计算机的能力，但是每个节点量子计算机的能力始终是有限的，如果能用量子互联网连接不同的量子计算节点，可以形成庞大的分布式量子计算机，极大地增加量子计算的能力。为了实现可靠的分布式量子计算，关键是在量子网络上实现量子纠错（量子系统最本质的特性———量子态的相干叠加和纠缠很脆弱，很难保持。容易出现量子的退相干效应，会不可避免地导致量子错误。另外，量子门操作中的误差也会导致量子错误。为了实现有价值的量子计算，首要的任务就是克服退相干效应，对量子计算过程中出现的错误及时加以监控并纠正）。总的来说，量子网络在量子计算上的应用，目前还是着眼于基础研究。

　　★ ★ ★

　　实现全球量子互联网：前有三大“拦路虎”

　　要实现大规模的量子网络，进而实现全球量子互联网和分布式量子计算，要解决的关键技术瓶颈是量子纠缠的长距离分发问题。我们都知道，量子纠缠一般是很脆弱的，如果把处于量子纠缠态的一对光子通过光纤朝两个方向传输，量子纠缠很快就会随着光子的泄露而完全丢失。为此，人们正在发展可以“蒸馏”和放大量子纠缠的技术，我们把它称为量子中继器。



　　本质上来讲，量子中继器是一种小型的专用量子计算机。在这样一个网络的每个阶段，量子中继器必须能够捕获和处理量子信息的量子比特以纠正错误，并将其存储足够长的时间，以便网络的其余部分准备就绪。

　　量子网络终极的应用是实现分布式量子计算网络。通常量子计算机中量子信息存储在微波波段，而要连接相聚遥远的量子计算机，需要我们实现量子信息在微波与光学波段之间的高效转化，以及量子信息在网络节点上的长时间存储。总的来说，要实现全量子网络，所需要突破的技术包括量子连接器、量子中继器、量子存储器等。

　　● 量子连接器：可以实现量子信息在微波与光学波段光子之间的高效转化。

　　已经实现微波光子与光学光子的转化，但仅限于经典信号，单量子水平的高效转化还在研发中。要实现真正的量子连接器，目前主要问题在于转化效率不够高，以及转化时噪声太大。据我估计，5年内此技术应该可突破到单量子水准。

　　● 量子中继器：可以实现网络节点之间量子纠缠的放大。

　　实现量子中继器的关键是量子纠缠分发。目前已实现相距几十公里，通过光纤连接的两个节点之间的量子纠缠分发（由中科大潘建伟团队完成），纠缠放大的技术指标只差临门一脚，就能迈向实用的量子中继器。

　　● 量子存储器：可以长时间存储量子信息。

　　已经实现小时量级的量子存储器，但需要超低温环境，且无法对错误进行纠正。正在研发室温下的长寿命量子存储器，并利用量子纠错技术纠正存储中出现的错误。

　　虽然通向量子互联网的道路上还存在很多障碍，但目前揭示出的量子互联网的功能，已经让人们神往不已。有理由相信，随着技术的发展，量子互联网的雏形将很快会出现，它将帮助人们深入地挖掘量子互联网的能力与功能，量子互联网更多颠覆性的应用将会不断涌现。