"墨子号"没闲着 你晓得量子互联网意义有多大吗?

量子互联网的存在的意义究竟是什么?在不久的未来,量子互联网很可能会成为我们常规互联网之外的一个特殊分支。目前,全世界的研究团队都在研制一些能让传统计算机同量子计算机实现互联的芯片。未来的人们或许绝大部分时间仍然会使用传统计算机,只有当他们遇到一些特殊任务的时候,才会切换到量子网络。

出品|网易科学人栏目组

译者|止水

墨子号没闲着 你晓得量子互联网意义有多大吗?

一年前,中国的航天物理学家们发射了世界上首颗量子卫星“墨子号”。和其它通讯卫星不同的是,这颗重达1400磅的“墨子号”并不会发射无线电波,它发射的是一些蕴藏着信息的光量子。我们的“墨子号”卫星肩负着测试一种名为“量子通讯”的新兴技术的使命,业内专家们普遍相信,“量子通讯”技术比任何目前我们已知的信息中继系统,都要更为安全。

自打“墨子号”上天后,它就没闲着。在今年夏天的时候,“墨子号”卫星背后的科研团队在《自然》和《科学》杂志上连续发表了好几篇论文,这些论文记叙了他们如何在“墨子号”卫星和多个地面卫星接收站之间,实现“纠缠光子”的传输。

如果将“量子通讯”比作邮寄一份信件的话,那么“纠缠光子”就是这封信的信封:纠缠光子能携带信息,并确保信息的安全。

“墨子号”首席科学家,来自中国科学技术大学的潘建伟院士曾表示,在未来的5年内,他还想发射更多的量子卫星。潘院士期望量子通讯能在2030年前,覆盖到多个国家的地区。也就是说,在未来的13年内,我们或许有望看到“量子互联网”的诞生。

这意味着什么呢?简单来说,这意味着人们可以用量子信号来给别人发信息了——然而,除了这点之外,专家们其实也还没搞清楚“量子互联网”还能干什么。

“量子互联网”其实是一个很模糊的词,加拿大滑铁卢大学量子项目成员托马斯??詹内怀恩(Thomas Jennewein )表示:“包括我在内的一些人都爱用‘量子互联网’这个词。然而,这个词究竟代表着什么?这目前还没有一个准确的定义。”

这其中最主要的原因是,有关量子通讯的许多技术目前仍处在一个研究的初期。物理学家们还无法很好地控制和操控量子信号。

潘院士的“墨子号”量子卫星或许能传输和接收量子信号,但它无法真正实现量子信息储存——即便是最好的量子存储器,它保留信息的时间也无法超过1个小时。除此之外,研究人员们至今也还未搞清楚用什么材料来造量子存储器是最好的。

同时,研究者们也不清楚如何才能在未来的量子网络节点间,高效地传输量子信号。

要在地球上空铺满量子卫星可不便宜——“墨子号”的造价大约为1亿美元(约合6.69亿元人民币)。通过在地面上铺设光纤来进行量子传输也不是一个完美的解决方案:在60英里外,量子信号就会逐渐衰弱。

除此之外,量子信号也无法像电子信号那样被放大。为此,研究者们也在开发一些特殊的量子中继器,它能让量子信号实现长距离的传输。

华盛顿大学的物理学家傅凯梅(Kai-Mei Fu)表示,任何研究都是要花时间的,即便潘建伟院士能在2030年前让他的量子互联网“跑起来”,但它或许还是无法承载你微信微博的运行,我们甚至会一点儿也不想用它。

就因为“量子互联网”里带个“量子”这个高大上的词语,并不意味着它的自动化程度就更高。

“在很多情况下,量子通信的意义并不是很大,”傅教授这样说道。量子信号有一个奇怪的叠加态特性,这意味着确定一个粒子的位置是一个概率事件,它并没有一个很精准的位置。目前,人们之间的通讯大多是通过“0”和“1”这两个电信号状态来实现的,将信息编写成电信号,要远比将它们编写成量子信号简单得多。

所以量子互联网的存在的意义究竟是什么?在不久的未来,量子互联网很可能会成为我们常规互联网之外的一个特殊分支。目前,全世界的研究团队都在研制一些能让传统计算机同量子计算机实现互联的芯片。未来的人们或许绝大部分时间仍然会使用传统计算机,只有当他们遇到一些特殊任务的时候,才会切换到量子网络。

瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学家雷纳托·雷纳(Renato Renner)表示,举个例子,你或许可以将一个传统个人计算机联入到一个量子网络,通过量子加密来发生一条加密信息,当然,前提是我们的量子计算已经足够成熟。

在量子加密技术方面,一位发信人可以使用一个加密进量子信号的密匙来加密一条信息。根据量子力学的相关法则,如果有人试图拦截窃取这个密匙的话,他就不得不销毁它。

傅教授补充表示,量子互联网对潜力无穷的量子计算方案来说,或许会很有用。鉴于量子计算机在执行一些特殊算法时的运算速度要远比传统计算机快得多,诸如谷歌和IBM这样的科技巨头都在紧锣密鼓地研发量子计算机当中。

然而,谷歌和IBM都不打算卖个人量子计算机,而是计划将它们研发出的量子计算机布置到云端,这样一来,用户就可以通过网络接入到量子计算机。当用户进行各自运算的时候,他们或许会想用量子加密技术来加密他们的信息,让这些信息能更安全地传输在他们的个人电脑和云端量子计算机之间。

“用户们或许不会想用传统的方式去发生他们的信息,因为传统传输渠道是很容易被窃听的。”傅教授这样说道。

在量子网络的体量成长至像我们目前的互联网一样庞大之前——如果这是可能的话——它还需要经历很长一段发展期。

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“有朝一日,数十亿台量子设备会被联入到同一个网络,在这个统一的网络里,任何联网设备都可以和其它设备实现互联,幸运的是,在我们有生之年里,我们是很有可能会见证到这一天的到来。”詹内怀恩教授这样说道。

量子计算缓慢的推进过程并未打消雷纳教授对它的热情,相反,他非常兴奋地发现,这些不断上演的量子实验正以这样一种新方式,来启发物理学家们去探索量子物理的未知领域。

“所有这些量子实验项目都会帮助我们更好地去理解量子物理,”雷诺教授最后这样说道。“作为一名物理学家,我希望强调的是,我们的技术进步并不仅仅只是受应用前景的驱动,它也会受我们探索未知的那颗好奇心的驱动。”

然而,作为普罗大众的我们来说,我们当然还是会期待新发明的出现。