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“量子互联网”—互联网上叠加新功能的基础设施

2020-06-24
来源:环球自动化网
浏览数:380
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  互联网是用于传递、储存和处理经典信息的全球性系统。量子互联网则可以对量子信息进行同样的传递、处理和存储。近年来,美国和欧盟纷纷出台了重量级的量子技术战略性文件,都把“量子网络”和“量子互联网”作为远景目标,力求在新一轮的量子产业竞赛中占据制高点。


  这个引人注目的概念实现了目前人类对所有量子技术想象的大一统,它是实现“量子云计算”的方式,它是量子信息传输和储存的平台,它是窃听必留痕迹的量子密码的交换渠道,它还能组建一台世界性原子钟,重新定义时间同步性。


量子互联网—互联网上叠加新功能的基础设施


  什么是量子互联网?


  美国白宫国家链子协调办公室是这样来描述链子互联网的,比较笼统地将量子互联网描述为一张由量子计算机和其他量子设备组成的庞大网络。借用美国军方首创的互联网来描述量子互联网的颠覆性远景:“它将催化出许多新兴技术,从而加速现有互联网的发展,提高通信安全性,并使计算技术发生剧变。”


  中国量子通信领域的领军人物、中科院院士潘建伟在2019年接受《国家科学评论》(NSR)专访时也以经典互联网引出了量子互联网:“众所周知,互联网是用于传递、处理和储存经典信息的全球性系统。量子互联网则可以对量子信息进行同样的传递、处理和存储。量子比特和量子纠缠(量子比特互相关联的状态)将是量子互联网的基本资源。”


  欧洲量子技术旗舰计划3月发布的一份战略研究议程(下简称“欧洲量子议程”)的描述将上述两种说法串联拿起来:量子计算机、模拟器和传感器通过量子网络互联,分配信息和量子资源(如相干、纠缠),从而保障数字基础设施的安全。


  我们可以总结出,量子互联网之所以冠以量子之名,实具备三大要点:一是该网络连接的设备是量子设备,二是该网络传输的资源是量子特性,三是该网络传输的方式依赖量子机制。


  当然,像商用量子计算机这样的先进量子设备仍遥遥无期,要连接量子计算机的成熟量子互联网总体上确是未来概念。


  量子信息是完全防篡改的


  量子不可克隆定理虽然保证了这种量子密钥分发(QKD)技术被窃听必留痕迹,但也在工程上带来了无法像电信号一样被增强的难题。光子通过长距离光纤传输,必然会产生损耗。


  2017年,全长2000余公里的世界首条量子保密通信骨干线路“京沪干线”开通,设置32个站点,采用“可信中继”方案,通过人工值守、网络隔离等手段保障中继站点内的信息安全。


  在“京沪干线”这条国家示范性骨干线路建成近3年后,量子保密通信网络加快地方性延伸。近日,山东省济南市政府工作报告提及将建设量子保密“齐鲁干线”。据了解,量子保密通信“齐鲁干线”将横贯东西,依托济南、潍坊、淄博和青岛等市构建,满足与京津冀、长三角及海外重要城市间广域量子保密通信需求。从现阶段看,中国在量子保密通信网的建设上走在世界前列。


  量子保密通信传输的是随机生成的


  对照此前所说的量子互联网定义,它尚不能连接量子计算机等前沿量子设备,也不能传输纠缠等量子资源,传输机制并未实现完全的“量子化”。


  “京沪干线”设备供应商科大国盾量子技术股份有限公司(以下简称国盾量子)总裁赵勇认为,各国推进的基于量子密钥分发(QKD)的量子保密通信网络就是“量子互联网”的初级阶段,首先实现信息安全方面的应用,最终的目标是“全量子网络”,将量子计算、量子传感和测量等功能融入进来,形成量子安全网络、分布式量子计算和量子传感网络。


  “从初级到终极,信息安全应用的定位贯穿量子网络的始终,而量子密钥分发也将随着网络的升级而升级,贯穿始终。”他说道。


  总结起来,量子通信采用了量子加密技术,量子密钥的分发是随机的,窃听者无法获得正确的密钥。由于量子的特殊性质,窃听者获得的信息是被破坏的,已非原来的信息,保证了通讯的安全。在当今全民注重隐私的大背景下,量子通信所具备的安全这一特性尤其引发关注,得到广泛认可也就不足为怪了。


  其实,量子保密通信网络是为通信双方产生和分配安全密钥的网络。传统密钥比较依赖数学和计算复杂性理论,而量子密钥则以光子的量子态为载体,依赖物理学中的量子不可克隆定理。


  量子互联网需要哪些关键技术?


  量子互联网远景需要量子通信、量子精密测量、量子计算等领域全方位的突破,鉴于一些国家已经开始构建初级的量子保密通信网络,要从这个领域切入实现突破,最关键的还是解决上文提到的“距离”问题。


  一方面,要用量子中继器来取代人工保障的中继站,利用量子纠缠来实现量子态的自动化远距离传送。另一方面,高轨道的卫星可以作为天基中继站点,覆盖超长距离的量子网络。2017年,潘建伟团队利用世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”,成功将一对纠缠光子分发到距离1200千米的两个站点。


  欧洲“量子互联网联盟”还展望了量子互联网在广义科学领域的变革性影响,例如把距离遥远的原子钟互联,大幅提高时间准确性。天文学家也可以解决甚长干涉基线中的时间同步问题,让距离遥远的望远镜强有力地合体。


  量子互联网会否替代现有互联网?


  正如科学家们建造量子计算机是为了更好地解决特定问题,而非普遍问题,量子互联网的目的不是替代现有互联网,也很难替代现有互联网。


  欧洲量子旗舰计划认为,量子网络的作用是兼容、扩充现有的数字基础设施。


  在实际应用中,量子密钥分发需要和密码算法结合使用,也需要通过“量子信道+经典信道”来完成:量子信道传输量子信号,经典信道交互从中提取安全密钥的处理方法。


  因此,量子保密通信网络往往在现有的光纤网络基础设施(如中国电信等电信运营商)之上部署。


  赵勇对澎湃新闻表示:简化了理解,当前的互联网是“用于传递、处理和储存经典信息的全球性系统”,量子互联网则是对量子信息进行同样的传递、处理和存储。“量子互联网”不是对现有互联网的替代,而是在互联网上叠加新功能的基础设施。


  正如量子计算机不能取代经典计算机,不管是从其根本目的还是其经济成本来说,量子互联网并不会取代现有的互联网。


(文章转自:中国传动网综合整理)

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