量子互联网可能会给通讯、计算和基础科学带来革命性的变化,而它可能只需要10年的时间。但是,它到底是什么呢?-量子客
在这张长期曝光的照片中,Micius卫星通过激光与中国北方的地面站进行通信,在天空中划出一条绿色的线。使用量子纠缠,Micius允许完全安全的,不受黑客攻击的通信。

在中国的某些地方,每晚有几分钟的时间,天空中最明亮的光线就是米库斯卫星发出的灿烂光芒,当它在500公里以上的太空中飞行时,向地球发射绿色激光。当条件正确的时候,你也可能会看到一个红色的光束从一个发送信号的地面站的黑暗中回过头来。

墨子号不是你的普通电信卫星。2017年9月29日,它通过完成一项惊人的壮举创造了历史,利用了量子纠缠的神秘性质 - 爱因斯坦称之为“遥远的异想天开的行动” - 将信息“传送”到太空并再次返回。在这样做的时候,它实现了第一次洲际电话通话 - 事实上在北京和维也纳之间的视频通话 - 这完全是不可撼动的。

将光子传送到太空中意味着什么

量子力学奇怪的科学力量墨子号是技术军备竞赛的核心。一方面是量子计算机,它们仍然处于初级阶段,但一旦它们发展壮大,其潜力巨大。其中最值得关注的和令人担忧的应用之一是能够切断复杂的数学锁,现在可以保护计算机加密系统 - 这意味着您可以放心地在互联网上进行金融交易。另一方面是唯一可靠的防御 - 也依赖量子物理定律的加密技术。

量子互联网可能会给通讯、计算和基础科学带来革命性的变化,而它可能只需要10年的时间。但是,它到底是什么呢?-量子客
天宫二号空间实验室是在开创性的墨子号卫星之后发射的,它将扩展中国的量子通信计划,使全球量子网络更接近现实。

直到最近,科学家们才设法使量子加密仅在一百公里左右的距离内工作。墨子号背后的中国科学家现在已经遍布世界各地。它带来了极致的奖品。我设想一个空间 - 地面综合量子互联网,潘建伟说,他的团队在米里乌斯接通后成为量子通信竞赛的领跑者。

潘习惯了从小处思考。这位中国物理学家以突破性的量子纠缠探索闻名于世,这是爱因斯坦所嘲笑的亚原子粒子之间的一种奇特的心灵感应。

同时,潘想得很大。十多年来,他一直领导着中国庞大的量子技术项目。

2016年8月,墨子号从酒泉太空港发射到内蒙古偏远平原,开始进行一系列不断升级的复杂实验。他们的核心是一个以晶体为基础的小装置,可以产生成对的纠缠光子,并通过紧密聚焦的激光束将它们发送到地面接收站。

潘的团队首先在中国境内的地面站之间建立了长期的纠缠连接。然后他们成功地传输了量子态的量子态传输,这将是量子计算机进行通信的一项重要技术。一年中,中国和奥地利科学院的达官贵人互相祝贺。

潘不缺资源。对于中国政府来说,量子技术是一个重要的研究课题。

全球努力的最佳估计值来自麦肯锡咨询公司。据报道,2015年全球约有7000名研究人员在该领域工作,每年花费约15亿美元。这些数字无疑更大,而且只会随着政府和企业追逐量子技术的优势而增长。

在他们的动机清单上是很高的:保护秘密。“安全是最大的卖点,”昆士兰大学(University of Queensland)的光子学专家雅克·罗梅罗(Jacq Romero)说。量子网络还可以用来实现更奇异的建议,例如将多个望远镜的光结合在一起的超级望远镜,可以大规模地提高天文观测值。

潘和其他科学家正在做的工作是“第二次量子革命”的一部分。第一次量子革命始于20世纪初的几十年,当时发现了亚原子领域的奇异定律,即一个物体既可以是波,也可以是粒子——由海森堡、薛定谔和爱因斯坦等先驱科学家发明。应用于技术,这些理念引领了现代电子设备的时代,如晶体管、激光和太阳能电池。

在第二次量子革命中,科学家将量子规则应用于信息技术的基本思想。

量子计算的好奇心。

经典计算依赖于二进制信息,由二进制位表示。量子信息使用量子位,也就是量子位,它可以同时出现在1和0的状态。这可以用电子的磁自旋来完成,例如,可以是“向上”,“向下”,或者是上下结合。

这种被称为“叠加”的组合量子态,是构成第二次量子革命基础的几个概念中的第一个。一个量子位只“选择”一个状态或另一个状态——随机的,尽管概率取决于在叠加上的上下位置——当它被测量的时候。在此之前,量子计算机中的量子位可以同时有效地执行多个计算。

第二个重要的概念是纠缠,在这里,遥远粒子的行为可以是不可分割的联系在一起——或者是“纠缠”。当一个纠缠的粒子被测量——因此“选择”一个状态——它的伙伴立即被这个选择束缚,不管它有多远。纠缠是量子通信的关键。

第三个概念是“无克隆定理”,它说量子粒子中的信息不能完全复制而不改变粒子的状态。黑客可以在你不知情的情况下复制你的电子邮件;然而,对量子系统的入侵,受制于物理定律,从而留下痕迹。

这些现象共同为量子计算机解决大数据问题铺平了道路,这些问题包括从大量的选项中找到最优的解决方案。这包括有效的逆向工程加密密钥保护你的网上银行会议。与此同时,他们还制造了可能的防黑客量子通信,窃听总是可以被检测到的。

如果一个具有特定属性集的粒子在一个位置消失了,而另一个在其他地方出现了相同的属性,那么谁能说它们不是相同的粒子呢?

量子互联网的种子最早是在20世纪70年代由物理学家斯蒂芬·威斯纳(Stephen Wiesner)发明的。作为纽约哥伦比亚大学(Columbia University)的一名研究生,韦斯纳认识到量子力学的奇特定律可以用来进行新的交流。

Wiesner的想法在1984年被Charles Bennett和Gilles Brassard发展为一份详细的保密通信协议。许多加密方案都涉及到一段信息,即被称为密钥的信息,由发送方和接收方共享,但没有其他人共享。Bennett和Brassard计划试图解决以安全方式共享密钥的问题。

他们的想法包括发送者(通常称为爱丽丝在密码学)发送一长串1和0的收件人(叫他鲍勃)编码在光子以这样一种方式,如果一个偷听者(夜,自然)进行任何测量,爱丽丝和鲍勃会知道(因为测量量子粒子改变其属性)。然后,他们会抛出任何受影响的1和0,然后剩下一个理想的加密密钥——他们都知道但没有人知道的一个很长的随机数。

量子密码学在1994年突然变得更有意义,当时数学家彼得·肖尔(Peter Shor)指出,量子计算机有一天可以利用量子不确定性,以惊人的轻松打破现有的密码体制。破解这样的方案——比如让你的网上银行会议免受窥视的风险——需要找到大量的因素。Shor表明量子计算机能够比经典计算机更快地完成它。量子互联网可能会给通讯、计算和基础科学带来革命性的变化,而它可能只需要10年的时间。但是,它到底是什么呢?-量子客

与此同时,量子通讯理论的进一步发展——这种做法还需要几年的时间——利用了一种更奇特的纠缠现象,这种现象可以将相隔任何距离的物体的命运结合在一起。

这一量子连接对爱丽丝和鲍勃来说非常方便,因为他们想在没有Eve打扰的情况下安静地聊天。一对纠缠的粒子在某种意义上是一个单一的实体,无论它们相距多远。这一观点得到了理论家大卫·波姆(David Bohm)的合理而荒谬的结论,他指出,作为量子力学的结果,“整个宇宙必须在一个非常精确的水平上,被视为一个单独的不可分割的单元”。

1991年,牛津大学的物理学家阿图尔·埃克特(Artur Ekert)精确地计算出,在贝纳特-布拉萨尔(bennettar - brassard)计划中,纠缠可能会有多大的改善。假设Alice产生了一束纠缠的光子,并为自己保留了一对,将另一个发送给了Bob。她测量了自己的光子的极化,每次它是水平的,每次是0,每一次是垂直的,她都会写下1。最终,她会有一连串的数字。由于纠缠,如果鲍勃做了同样的测量,他将拥有相同的弦。如果伊夫截获了任何光子,如果能探测到Alice和Bob测量值之间的相关性。

在1993年发现了另一种用于缠绕的方法,当时班尼特和布拉萨德和其他人一起发现,它可以用来将粒子的量子态从一个地方传输到另一个地方。如果Alice有一个光子在某个未知的叠加态——特定的1和0态的组合——这个“量子隐形传态”技术可以让她把信息发送给鲍勃,这样他就可以创建一个完全相同的光子。为了收集这些信息,爱丽丝必须破坏光子的量子态。然后Bob使用这些信息创建一个与Alice相同的属性,包括任何纠缠。

物理学家称这种隐形传态是由于亚原子粒子的性质,如它的位置、动量、极化和自旋,都是关于它的。如果一个具有特定属性集的粒子在一个位置消失了,而另一个在其他地方出现了相同的属性,那么谁能说它们不是相同的粒子呢?

这种奇怪现象突出了量子互联网将利用的密码学、信息论和基础物理之间的深层联系。潘建伟的导师、现在是他的合作者的奥地利物理学家安东·齐林格(Anton Zeilinger)在2005年的《自然》(Nature)杂志上直言不讳地说:“现实与我们对现实、现实与信息的认识之间的区别是无法实现的。”

虽然量子互联网背后的理论是令人难以置信的,但建造它却是一项工程实践。即使是约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell),这位出生于贝尔斯特的物理学家,也曾设想过在量子力学的基础上扼杀任何一种常识的现实的纠缠实验,他把自己描述为一个“量子工程师”,并说他只有时间来考虑周日的原则。

这就是今天的量子科学家们的研究成果。设备必须校准,实验必须改进,噪声必须降低。为什么要给弄明白怎么做的问题。

这是解决这些离散工程问题的能力,这让位于澳大利亚堪培拉的Quintessence Labs公司的负责人维克拉姆·夏尔马(Vikram Sharma)建立了量子安全系统。

Quintessence实验室正在将量子技术应用于网络安全系统中,该系统建立在一个使用量子不可预测性的设备上,每秒产生10亿个随机数。

公司的主要成就之一是缩小设备。夏尔马解释说:“我们过去常常在光学仪器上使用激光、电子设备和各种设备。”“大概有一米多高。现在我们把它缩小到一个手机的大小。他说这话时带着工程师的骄傲。“它只是进入了一个标准的服务器。”

接下来的议程是“完全成熟”的安全系统,它使用整个激光束的特性来传输加密密钥,而不是单个光子,使其变得不那么脆弱。夏尔马说,他希望在2019年年初推出一个版本。

量子互联网可能会给通讯、计算和基础科学带来革命性的变化,而它可能只需要10年的时间。但是,它到底是什么呢?-量子客
Rose Ahlefeldt和Matthew Sellars正在研究“量子中继器”,以扩大量子通信的范围。

然而,即使精心设计到成熟,Quintessence实验室的系统也会受到一个很难操作的障碍的限制,这一障碍会阻碍所有竞争对手将量子通信带到世界上。

创建一个全球量子网络必须克服的主要障碍是“全球”部分:长距离是一个真正的问题。

当纠缠的光子通过空气或光纤传送时,它们会被其他粒子的接触慢慢地带走。在几百公里之后,99.99%将会消失,信号将会太弱,无法用于通信。

其中一种方法是潘建伟的方案:通过一颗绕地球运行的卫星进行连接,通过激光束将光子从太空发射出去。

另一种方法是使用中继器来重新传输已褪色的信号。一个“半量子”系统在一个“受信任节点”的链上建立了量子连接,该节点对信号进行解码和重新编码。运营中最长的这条线路是一条2000公里长的管道,由北京到上海,通过济南和合肥,也由潘的团队建造。这些可信节点对于密钥分发非常有用——潜在的黑客只能通过访问节点本身来读取密钥。然而,节点并不能扩展纠缠的范围。

这需要创建一个所谓的“量子中继器”:一个能够接收到量子信号并在不破坏量子态的情况下再次发射的装置,就像一个中继站,它从一个疲劳的信使传递一个包裹到一个新鲜的,而不打开它。

一些最有希望的研究正在澳大利亚国立大学进行,在那里,Matthew Sellars和Rose Ahlefeldt已经找到了一种方法,可以使用掺杂铒原子的晶体来存储和释放波长(约1550纳米)的光子,这一波长与现有的光纤电缆完全一致。

当一个光子被吸收时,它的量子态就被映射到铒原子核的自旋上。Ahlefeldt说:“如果你把信息放在核自旋上,它可以保持更长时间。”这是因为原子的原子核与外界绝缘。

然后,原子可以被激发释放一个新的光子,与进入的光子完全相同。“你可以存储极化,到达时间,脉冲形状,方向,”塞拉斯说。“进入的光子就是产生的光子。”

至关重要的是,这包括原始光子的任何纠缠。与光纤连接的一系列中继器可以无限延长纠缠。

一个成熟的全球量子网络还能存在多久?潘相信进步会很快。“也许这需要10年的时间,”他猜测道。

Sellars和Ahlefeldt希望在未来一两年展示中继器的基本功能。在那之后,塞拉斯说,“它就变成了一个工程案例,以及你投入了多少钱。”一个不确定因素是:“以前没有人拥有量子互联网。”

将量子计算机接入量子互联网也需要类似的技术。“如果我们建立这个全球尺度的量子网络,我们希望能够将事物与它联系起来,”Ahlefeldt说。

从量子计算机中获取量子位——它们可能被存储为电子自旋或超导环的磁通量——本身就是一项壮举。

“有三个问题需要解决,”在新南威尔士大学(University of New South Wales)从事量子计算机工作的斯文·罗格(Sven Rogge)说。“首先,你必须能够控制一个量子位并读出它。然后你要把它们两个紧密结合在一起,在电脑里进行两位数的运算。然后你需要在更大的距离上做两量程的运算。那是圣杯,真正困难的部分。”

一个成熟的全球量子网络还能存在多久?尽管许多基础技术仍处于雏形阶段,但潘相信,进展将是迅速的。“也许这需要10年的时间,”他猜测道。

然而,荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的一个研究小组希望,在2020年之前,能有一个连接四个荷兰城市的小网络——跨越几十公里的距离,不需要量子中继器。后呢?甚至像潘这样的梦想家也只能推测量子互联网的最终用途。

目前,安全通信是一个杀手级的应用程序——它让政府和银行将资金投入到研究中。另一种可能的用途是连接量子计算机,这在未来一段时间内将会是昂贵且笨重的机器。人一旦拨到大规模大型机计算完成,一个量子链接允许远程访问量子计算机的加捻盲目计算,量子计算机永远不能知道的表现或敏感数据的计算处理。

量子通讯还将使遥远的时钟在10-20秒内同步,比目前最好的原子钟精确1000倍。这一精度将允许轨道卫星改善GPS系统,以前所未有的细节绘制地球的重力场,甚至捕捉到通过引力波的微小涟漪。

更好的光学望远镜是另一个潜在的附加利益。诸如新生的平方公里阵列这样的射电望远镜将来自远方天线的信号组合起来,有效地形成了一个巨大的望远镜。量子互联网也可以通过远距离望远镜传送光子,使可见光望远镜也成为可能。

潘认为他的工作是人类交流和交流信息的一个连续统一体的一部分。他说,这是早期智人的决定性特征。他们创造了基本的符号和语言,这样他们就能有效地互动,形成一个合作的团体。信息交换是人类进化的一个关键因素。

下一阶段的进化将通过耐心的小的、渐进的步骤进行:改进Micius技术,使卫星在日光下工作,在其他卫星上复制它,学习如何使多颗卫星协同工作。他可能已经打开了全球量子互联网的大门,但潘仍以工程师的标准来思考。“我们将研究如何建立一个更高效的网络。”