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什么是量子互联网?您需要了解的有关量子网络古怪未来的一切

作者:Web前端之家2020.09.04来源:Web前端之家浏览:305评论:0
关键词:量子
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世界各地的科学家都在研究量子互联网,以通过隐形传送进行通信。但是,量子互联网是什么?何时准备就绪?谁将使用它?


这听起来像科幻小说,但建立量子网络是全球许多国家的主要野心。最近,美国国防部(DoE)发布了此类同类蓝图,其中提出了逐步实现量子互联网梦想的分步战略,至少在非常初步的形式下才能实现。 

美国加入了欧盟和中国,对量子通信概念表现出浓厚的兴趣。但是,量子互联网到底是什么?它如何工作?它可以实现什么奇迹?

什么是量子互联网?

量子互联网是一种网络,它将使量子设备在利用量子力学怪异定律的环境中交换某些信息。从理论上讲,这将为量子互联网提供前所未有的功能,而这是当今Web应用程序无法实现的。

在量子世界中,数据可以以量子位的状态进行编码,可以在量子设备(如量子计算机或量子处理器)中创建数据。简单来说,量子互联网将涉及跨物理上分离的多个量子设备的网络发送量子位。至关重要的是,这一切要归功于量子态特有的怪异特性。 

这听起来可能类似于标准互联网。但是,通过量子通道而不是经典通道来发送量子位,实际上意味着在最小的尺度上利用粒子的行为-所谓的“量子态”,这已经引起了数十年来科学家的喜悦和沮丧。 

量子物理学定律不但不熟悉,而定律是信息在量子互联网中传输方式的基础。实际上,它们是奇怪的,违反直觉的,有时甚至看起来是超自然的。 

因此,要了解Internet 2.0的量子生态系统是如何工作的,您可能想要忘记关于经典计算的所有知识。因为量子互联网不会让您想起自己喜欢的Web浏览器。

我们可以与量子交换哪些类型的信息?

简而言之,大多数用户都不习惯。因此,至少在接下来的几十年中,您不应指望有一天能够参加Quantum Zoom会议。

量子通信的核心是这样一个事实,即利用量子力学基本定律的量子比特的行为与经典比特完全不同。 

在对数据进行编码时,经典位实际上只能是两个状态之一。就像必须打开或关闭电灯开关,就像猫必须死了还是活着一样,位也必须为0或1。

量子比特没有那么多。相反,量子位是叠加的:它们可以同时为0 和 1,处于古典世界中不存在的特殊量子状态。好像您可以同时坐在沙发的左侧和右侧。 

矛盾的是,仅仅测量一个量子比特就意味着它被分配了一个状态。测得的量子位自动从其双重状态下降,降为0或1,就像经典位一样。 

整个现象称为叠加,位于量子力学的核心。 

毫不奇怪,量子位不能用于发送我们熟悉的数据类型,例如电子邮件和WhatsApp消息。但是,量子位的奇怪行为正在其他更利基的应用程序中打开巨大的机会。

量子(安全)通信

安全性是配备了qubit的研究人员正在探索的最令人兴奋的途径之一。 

当涉及经典通信时,通过将共享密钥分配给发送方和接收方,然后使用此公共密钥对消息进行加密,可以保护大多数数据。然后,接收方可以使用其密钥在其末尾解码数据。

当今大多数经典通信的安全性都基于一种用于创建密钥的算法,该算法很难让黑客破解,但并非不可能。这就是为什么研究人员正在考虑使这种交流过程成为“量子”。该概念是网络安全新兴领域(称为量子密钥分发(QKD))的核心。

QKD的工作原理是,通过将加密密钥编码到qubit上,使两方之一对一段经典数据进行加密。然后,发送方将那些量子比特发送给另一个人,后者测量这些量子比特以获得密钥值。 

测量导致量子比特的状态崩溃。但是在测量过程中读出的值很重要。从某种意义上讲,量子位仅在此处传输密钥值。

更重要的是,QKD意味着很容易找出在传输过程中第三方是否已经窃听过量子比特,因为入侵者仅通过查看就可以使密钥崩溃。

如果黑客在发送量子比特时随时查看它们,这将自动更改量子比特的状态。间谍不可避免地会留下窃听的迹象-这就是为什么密码学家坚持认为QKD是“可证明”安全的。

那么,为什么要使用量子互联网?

QKD技术还处于早期阶段。目前,创建QKD的“通常”方法包括通过光纤电缆以单向方式将qubit发送到接收器。但是这些都大大限制了该协议的有效性。 

量子位很容易在光缆中丢失或散布,这意味着量子信号非常容易出错,并且很难长距离传播。实际上,当前的实验仅限于数百公里的范围。 

还有另一种解决方案,它是支持量子互联网的一种解决方案:利用量子的另一种特性(称为纠纷)在两个设备之间进行通信。

当两个量子位相互作用并纠纷在一起时,它们共享彼此依赖的特定属性。当量子位处于纠纷状态时,对中一个粒子的任何更改都将导致另一个粒子的更改,即使它们在物理上是分开的。
 
因此,可以通过查看纠纷在一起的对象的行为来“读取”第一个量子位的状态。没错:甚至爱因斯坦(Albert Einstein)都将整件事称为“远距离的怪异动作”。

在量子通信的背景下,纠纷实际上可以将某些信息从一个量子比特传输到纠纷的另一半,而在传输过程中不需要物理通道将两者融合在一起。

纠纷如何进行?

从定义上讲,远距传输的真正含义是在通信设备之间缺乏物理网络桥接。但是仍然需要首先创建纠纷,然后再进行维护。 

为了使用纠纷来执行QKD,有必要构建适当的基础结构以首先创建纠纷的量子比特对,然后在发送者和接收者之间分配它们。这创建了可以交换加密密钥的“传送”通道。

具体来说,一旦生成纠纷的量子比特,就必须将一对量子比特的一半发送给密钥的接收者。例如,纠纷的量子比特可以穿过光纤网络。但是那些人在大约60英里后无法保持纠纷。 

也可以通过卫星使量子位纠纷在很长的距离上,但是用外太空量子装置覆盖地球是昂贵的。 

因此,建立大规模的“运输网络”以有效地连接世界各地的量子比特仍然面临巨大的工程挑战。一旦纠纷网络到位,魔术就可以开始:链接的量子位不再需要通过任何形式的物理基础结构来传递消息。 

因此,在传输过程中,量子密钥实际上对于第三方是不可见的,不可能被拦截,并且可以可靠地从一个端点“传输”到另一端点。这个想法将在处理敏感数据的行业中引起共鸣,例如银行,医疗服务或飞机通信。掌握最高机密信息的政府也很可能会率先采用该技术。

量子互联网还可以做什么?

“为什么要纠结呢?” 你可能会问。毕竟,研究人员可以简单地找到改善QKD“常规”形式的方法。例如,量子中继器可以在增加光缆的通信距离方面走很长的路要走,而不必纠纷量子比特。

这没有考虑到纠纷对于其他应用程序可能具有的巨大潜力。QKD是量子互联网可以实现的最经常讨论的示例,因为它是该技术最易于访问的应用程序。但是安全远非引起研究人员兴奋的唯一领域。 

用于QKD的纠纷网络也可以用于例如提供可靠的方法来构建由位于不同量子设备中的纠纷量子比特构成的量子簇。

研究人员不需要特别强大的量子硬件就可以连接到量子互联网-实际上,即使是单量子位处理器也可以完成这项工作。但是,科学家们希望通过将能力有限的量子设备连接在一起,使他们能够创造出一个超越所有量子设备的量子超级计算机。

因此,通过将许多较小的量子设备连接在一起,量子互联网可以开始解决单量子计算机目前无法解决的问题。这包括加快大量数据的交换速度,并在天文学,材料发现和生命科学领域进行大规模的传感实验。

出于这个原因,科学家们坚信,在Google和IBM等技术巨头甚至实现量子至上之前,我们可以从量子互联网中受益。这是一台量子计算机将解决传统计算机难以解决的问题的时刻。

谷歌和IBM最先进的量子计算机目前大约有50量子比特,仅此一项就远远少于进行解决量子研究希望解决的问题所需的惊人计算所需的数量。 

另一方面,通过量子纠纷将此类设备链接在一起可能会产生价值数千个量子比特的簇。对于许多科学家而言,创建这种计算能力实际上是量子互联网项目的最终目标。

量子互联网怎么办?

在可预见的未来,量子互联网无法像我们目前在笔记本电脑上那样用于交换数据。

想象一个通用的主流量子互联网将需要预期数十年(或更长时间)的技术进步。因此,尽管科学家梦想着量子互联网的未来,但不可能在该项目目前的状态和我们每天浏览网络的方式之间找到相似之处。

当今,许多量子通信研究致力于发现由于量子态而如何最好地编码,压缩和传输信息。当然,量子态以其非凡的密度而闻名,科学家们相信一个节点可以传送大量数据。

但是,科学家希望通过量子互联网发送的信息类型与打开收件箱和滚动浏览电子邮件无关。实际上,取代传统互联网并不是该技术的目标。 

相反,研究人员希望量子互联网将与传统互联网并排,并将用于更专业的应用。量子互联网将执行可以在量子计算机上比在传统计算机上更快地完成的任务,或者即使在当今最好的超级计算机上也很难执行的任务。

那么,我们在等什么呢?

科学家们已经知道如何在量子位之间产生纠纷,他们甚至已经成功地利用纠纷实现了QKD。 

作为量子网络的长期投资国,中国在卫星引起的纠纷方面屡创佳绩。中国科学家最近建立了纠纷,并在创纪录的745英里内实现了QKD。

但是,下一阶段是扩展基础架构。到目前为止,所有实验都只连接了两个端点。现在已经实现了点对点通信,科学家正在努力创建一个网络,其中多个发送者和多个接收者可以在全球范围内通过量子互联网进行交换。

本质上,该想法是找到最佳方法,以按需,长距离且同时在许多不同点之间产生大量纠纷的量子比特。这说起来容易做起来难:例如,要维持中国的设备与美国的设备之间的纠纷,可能需要在新的路由协议之上添加一个中间节点。 

首先,各国在选择纠纷时选择了不同的技术。在中国采用卫星技术的同时,光纤是美国能源部所青睐的方法,美国能源部目前正试图建立一个量子中继器网络,该网络可以扩大分离纠纷量子比特的距离。 

在美国,在芝加哥郊区,一个粒子在52英里的“量子环”上一直纠纷在光纤中,不需要量子中继器。该网络将很快与美国能源部的一个实验室相连,以建立一个80英里的量子测试台。 

在欧盟,量子互联网联盟于2018年成立,旨在制定量子互联网战略,并在去年证明了纠纷超过31英里的情况。

对于量子研究人员而言,目标是首先将网络扩展到全国范围,甚至在国际上将其扩展到一天。绝大多数科学家都认为,这不可能在几十年之前发生。毫无疑问,量子互联网是一个非常长期的项目,仍然存在许多技术障碍。但是这项技术不可避免地会带来意想不到的结果,这将带来无价的科学历程,再加上目前还无法预测的大量奇特的量子应用。

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