用量子打造“第二互聯(lián)網(wǎng)”

趙君鵬

雖說Wi-Fi人見人愛，但其實(shí)我們喜歡的不是Wi-Fi，而是它連接的互聯(lián)網(wǎng)。眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)并不安全，密碼能擋住普通人，卻擋不住黑客和情報(bào)機(jī)構(gòu)。

當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)是通過電信號、光纖、微波等傳輸信息，雖然方便高效，但信息很容易被竊取或截獲。不僅如此，隨著數(shù)學(xué)和算法的不斷發(fā)展，基于計(jì)算的復(fù)雜性，傳統(tǒng)加密技術(shù)不斷受到挑戰(zhàn)，互聯(lián)網(wǎng)基本上已經(jīng)無險(xiǎn)可守。

如何解決這一問題呢？正如調(diào)侃之語：“遇事不決，量子力學(xué)?！笨茖W(xué)家將希望寄托于量子通信。

在量子力學(xué)中，幾個粒子在彼此相互作用后，各粒子所擁有的特性將表現(xiàn)為整體的性質(zhì)，這就是“量子糾纏”。如果測量某一粒子的參數(shù)，就會不可避免地改變整體的狀態(tài)，所以無法精確地探測粒子的信息。受此啟發(fā)，從20世紀(jì)70年代，人們開始研究量子通信模式，利用粒子疊加態(tài)的特性來傳遞信息。孤立粒子的“自旋”方向可以向上或向下，就像編碼語言的0和1，也可以同時處于既向上又向下的狀態(tài)，正如薛定諤的貓可以既生又死一樣，人們利用粒子的這一特性來編寫計(jì)算機(jī)語言，研究“量子密匙分發(fā)”技術(shù)。這使得對量子體的任何一次測量都是對它的一次修改，所以任何窺探量子信息的行為都會留下痕跡，從而讓網(wǎng)絡(luò)通信的絕對安全成為可能。

時至21世紀(jì)，基于量子力學(xué)的通信系統(tǒng)，包括運(yùn)用量子力學(xué)原理搭建互聯(lián)網(wǎng)，成為最重要的前沿技術(shù)之一。當(dāng)前，一場全球競爭正在量子通信領(lǐng)域展開。

近年來，中國在量子通信領(lǐng)域取得的成就令人矚目。比如世界第一顆量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”、世界第一條量子通信干線“京滬干線”等。中國科學(xué)院院士潘建偉曾表示，中國計(jì)劃用十五年左右的時間，構(gòu)建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)。

美國也奮勇爭先。2020年7月，美國宣布了“量子互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略藍(lán)圖”，又稱“第二互聯(lián)網(wǎng)”，計(jì)劃率先在下屬的17個國家實(shí)驗(yàn)室建立量子網(wǎng)絡(luò)，然后逐漸將其應(yīng)用到全國，其目標(biāo)是建立一個運(yùn)用量子糾纏或亞原子粒子并行傳輸?shù)?、更加安全的網(wǎng)絡(luò)，以彌補(bǔ)現(xiàn)行互聯(lián)網(wǎng)的不足。美國計(jì)劃在十年之內(nèi)使用量子力學(xué)定律實(shí)現(xiàn)安全共享信息，連接新一代的計(jì)算機(jī)和傳感器。

量子互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景很廣，早期將它運(yùn)用到銀行、醫(yī)療服務(wù)行業(yè)、飛機(jī)通信及國家安全領(lǐng)域，未來在地球物理、礦產(chǎn)勘探、醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航、天文學(xué)等領(lǐng)域也能大顯身手。超靈敏量子傳感器網(wǎng)絡(luò)能用來監(jiān)測地震活動，尋找地下的石油、天然氣及礦產(chǎn)資源，還可以應(yīng)用于醫(yī)療和成像領(lǐng)域。利用量子糾纏同步時鐘，導(dǎo)航系統(tǒng)的精度可以提高到毫米級，量子網(wǎng)絡(luò)可以將相距數(shù)千千米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡連接起來，其分辨率相當(dāng)于一個同等直徑的單碟望遠(yuǎn)鏡。

雖然量子互聯(lián)網(wǎng)的前景讓信息專家傾心不已，但是要想將它變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，還需要解決許多問題。比如，如何加速海量數(shù)據(jù)的交換，如何實(shí)現(xiàn)信息安全、計(jì)算機(jī)科學(xué)、應(yīng)用物理等領(lǐng)域的技術(shù)高度配合，如何利用大自然在遠(yuǎn)距離對象之間建立連接或使之產(chǎn)生糾纏，以及在沒有物理連接的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)信息的瞬間傳播等。

量子互聯(lián)網(wǎng)能否彌補(bǔ)現(xiàn)行互聯(lián)網(wǎng)的漏洞，它將怎樣實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無連接絕對安全高效地傳播信息，人們可以拭目以待。