量子互联网：小荷已露尖尖角

本文转自：科技日报

图为国盾量子公司展出的量子可信中继站。视觉中国供图

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◎本报记者 刘 霞

近日，美国纽约州立大学石溪分校科学家菲格罗阿等人在一篇发表于《自然·量子信息》上的论文中称，他们通过把两个独立的光子存储在铷气里，首次在室温条件下构建了一个量子存储器网络。鉴于量子存储器是量子互联网的基础性技术，最新研究让我们离量子互联网又近了一步。

中山大学电子与通信工程学院教授孙仕海告诉科技日报记者：“相比于现有经典互联网，量子互联网具有更灵敏的信息获取能力，以及更安全、更快速的信息处理能力。”

鉴于量子互联网的上述优势，美国、欧盟国家的多个研究机构和大企业，已竞相开始构建量子互联网。“但构建量子互联网不可能一蹴而就，还有很多关键技术亟待突破。”孙仕海强调。

信息处理更快更安全

量子互联网究竟是“何方神圣”？

孙仕海介绍：“广义上的量子互联网是采用量子通信连接量子传感器和量子计算机所形成的新一代互联网络，是量子通信网络、量子传感网络和量子计算网络的总称。”

量子计算机和量子传感器等量子设备都利用了量子态的叠加和纠缠两大特性。比特作为传统计算机的基本信息处理单元，只能处于0和1两种逻辑态中的一种。而作为量子信息基本单位的量子比特可以是1、0，以及两者的叠加。因此量子计算机可以用远超传统比特的密度，存储和传输更多信息。量子比特还能发生纠缠，即两个或两个以上粒子之间密不可分的联系。爱因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”。

在上述两大特性的加持下，拥有数以百万计量子比特的量子计算机的功能预计会比目前最快的超级计算机强大得多，因为纠缠在一起的量子比特能同时进行更多计算。

菲格罗阿也表示，量子互联网拥有固有的安全性。传统互联网的通信可以被拦截或操纵，但量子纠缠理论提出，对其中一个粒子的任何观测都会瞬间影响到另一个粒子的状态，而任何拦截和读取通过量子网络传输的信息的尝试都等同于观测，这将导致通过线路移动的量子比特叠加崩溃，从而“露出马脚”，因此可被用来检测任何潜在的窃听行为。

美国能源部也曾指出，量子互联网利用量子力学定律，和现有网络相比，能更安全地传输信息，“几乎不可破解”，未来将对科学、工业及国家安全等关键领域产生深远影响。美国芝加哥大学量子研究团队负责人戴维·奥沙洛姆则将量子互联网称为第二次量子革命。

量子互联网提供的安全通信方式有望开辟更广泛的应用领域，远远超出传统互联网的范畴。荷兰代尔夫特理工大学量子信息学教授斯特凡妮·魏纳在接受欧洲《现代外交》杂志采访时指出，如果量子互联网建成了，天文学是可能受益的领域之一。执行远距离观测任务的望远镜可以“利用量子互联网让传感器与传感器发生纠缠，以便生成更清晰的图像”。

波士顿咨询公司的一项调查称，到2030年，后量子密码学和量子通信市场的规模将达100亿美元，与量子计算市场60亿美元到120亿美元的规模相当。

大规模网络建设任重道远

理想很丰满，现实却很骨感。

孙仕海认为，量子互联网的实现有很多关键技术待突破。首先，量子互联网与经典互联网在协议和架构上具有一定的差异，如何构建高效的量子互联网络架构尚在研究中。其次，目前量子通信网络的研究和建设主要还集中在量子密钥分发等安全领域，研究如何使数据更安全传输，而通信网络协议方面的研究还比较欠缺。

“最后，量子互联网建设，除需要量子存储、量子中继等器件突破外，在高亮度纠缠源、高性能单光子探测、光电集成量子态调制解调芯片、针对量子器件的编程软件等方面也亟待突破，需要进一步降低这些器件的体积、功耗、成本等，以满足大规模网络建设需求。”孙仕海进一步解释道。

菲格罗阿团队的研究正是在量子存储器领域取得的最新进展。菲格罗阿表示，近年来建立的量子网络都需要把温度降至绝对零度才能运行，这限制了实用性。而他们的最新研究比以往的成果更具可行性。不过，在室温条件下，他们目前只能把量子比特存储零点几秒。而其他科学家在极低温度下能将量子比特储存1个多小时。

此外，建立更大规模的量子网络也充满挑战。专家认为，量子信息由光子携带，后者通过光纤传输，就像现有的传统互联网一样。但最多“旅行”50公里到150公里后，这些光子就会被吸收。因此，目前科学家只能建立一个大都市规模的量子网络，而无法建造一个国家或世界规模的网络。

鉴于此，菲格罗阿团队计划下一步开发量子中继器，这种装置可以延长量子信号的传输距离，有助构建大规模量子互联网。

多国发力打造量子互联网

据《回声报》报道，为构建更大规模的量子互联网，多家大企业、初创企业以及大学和科研机构于2023年4月发起了“法国量子通信网络”计划，致力于打造法国“量子网络的未来通信系统”，该计划将持续30个月。

2023年，欧盟也启动了名为“量子互联网联盟”的项目，汇集了欧洲各地的研究机构和公司。该项目计划在3年内（截至2026年3月底）获得2400万欧元的欧盟资金。目前欧盟内部同时有27个类似的项目正在测试。法国索邦大学物理学教授朱利安·洛拉表示，这些项目旨在发展国家基础设施，然后在欧洲范围内连接成一个更大的量子网络。

科学家也在全球多地开展量子互联网方面的实验。据欧洲《现代外交》网站此前报道，2023年5月，奥地利因斯布鲁克大学的研究团队利用量子物理学原理，沿着50公里长的光纤传输了量子信息。另据美国《大众科学》月刊网站报道，亚马逊网络服务公司与哈佛大学合作，测试和开发量子互联网技术，正在接受测试的量子网络利用光子来实现量子态的长距离通信。2022年夏天，芝加哥大学量子研究团队等也公布了一个长约200公里的量子网络，用于测试发送量子信息的方法。2023年，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟等实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发，不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。

科学家的目标是，有朝一日通过光纤和卫星连接，将目前在全球各地开展测试的量子通信网络连接成一个最终横跨全球的量子互联网雏形。

至于这一互联网未来将给世界带来什么天翻地覆的变化，人们只能拭目以待。正如芝加哥大学量子研究团队的格兰特·史密斯所说，当互联网的雏形首次面世时，人们没有预料到电子商务的出现，目前我们也无法想象量子互联网所有的潜在用途。

“当然，量子互联网也不能完全替代经典互联网。可以想象，即使在量子互联网时代，网络中应该也会存在经典的传感器和计算模块。”孙仕海说。