基于量子糾纏和量子隱形傳態(tài)的網(wǎng)絡將帶來網(wǎng)絡安全、計算以及科學上的飛躍

基于量子糾纏和量子隱形傳態(tài)的網(wǎng)絡將帶來網(wǎng)絡安全、計算以及科學上的飛躍。

Stephanie Wehner在成為理論物理學家之前是一名黑客，像大部分同道中人一樣，她很早就開始自學。15歲時，她用積蓄給自己買了第一臺撥號上網(wǎng)調制解調器，安裝在她父母位于德國維爾茨堡的家中。20歲時，在坊間不斷上升的名氣讓她在阿姆斯特丹一家由黑客創(chuàng)立的互聯(lián)網(wǎng)服務供應商公司找到了一份工作。

幾年后，身為網(wǎng)絡安全專家的Wehner一邊工作，一邊攻讀大學。她在學校認識到量子力學能夠提供現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡所不具備的特性——潛在的不可被攻擊的通信。如今，她有了新的興趣目標，她想改造互聯(lián)網(wǎng)。

Stephanie Wehner所在的團隊正在嘗試搭建覆蓋歐洲的真正意義上的量子網(wǎng)絡。

來源：Marcel Wogram for Nature

量子粒子可以處于疊加態(tài)的特性——就像薛定諤思維實驗里的貓可以既活又死——多年來一直被用來增強數(shù)據(jù)加密。但是，目前在荷蘭代爾夫特理工大學工作的Wehner以及其他研究者表示：量子力學擁有更大的應用范圍，即利用大自然可以神奇地在遠距離對象之間建立連接或者產生糾纏的能力，實現(xiàn)信息的瞬間傳輸。Wehner說這乍看起來太過于理論，但現(xiàn)在“人們有希望實現(xiàn)這個目標”。

支持者說這樣一個量子互聯(lián)網(wǎng)可以開啟經典通信方式無法實現(xiàn)的廣泛應用場景，包括將量子計算機連接在一起；使用遠距離分布的天文臺打造超高分辨率望遠鏡；甚至獲得探測引力波的新方法。一些人認為量子互聯(lián)網(wǎng)將來會取代目前的互聯(lián)網(wǎng)體系。維也納大學物理學家Anton Zeilinger表示：“我個人認為，未來的通信即使不是全部也會絕大部分都基于量子?！?1997年，他領導了首批基于量子隱形傳態(tài)的實驗之一。

代爾夫特的一個團隊已經開始建造第一個真正意義上的量子網(wǎng)絡，它將連接荷蘭的四個城市。該項目計劃將于2020年完成，像是量子版本的 ARPANET（高等研究計劃署網(wǎng)絡）——美國軍方在上世紀60年代后期開發(fā)的通信網(wǎng)絡，正是它為今天的互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎。

參與這項工作的 Wehner 也在協(xié)調一個更大規(guī)模的歐洲項目——量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Quantum Internet Alliance），旨在將荷蘭的實驗推廣到整個歐洲大陸。在這個過程中，她和其他人正在努力將計算機科學家、工程師和網(wǎng)絡安全專家匯集起來，共同推動設計未來的量子互聯(lián)網(wǎng)。

目前，仍有許多技術細節(jié)需要探索。一些研究人員告誡說，現(xiàn)在要評價量子互聯(lián)網(wǎng)到底能帶來什么還為時過早。Wehner則希望通過提前考慮安全問題，避免當前互聯(lián)網(wǎng)源自ARPANET的弱點，“也許我們有機會從一開始就把事情做好?！?/p>

量子密鑰

20世紀70年代左右，量子通信模式首次被提出來。當時，Stephen Wiesner還是紐約哥倫比亞大學的一名年輕的物理學家，他發(fā)現(xiàn)了量子力學中一條最基本的原理的潛力，該原理是：測量量子系統(tǒng)的某一參數(shù)將無法避免地改變它的狀態(tài)。

Wiesner 提議說，物體的狀態(tài)可以用來編碼信息，如孤立原子的“自旋”方向可以向上或向下，像經典比特0和1，但也能同時處于這兩個狀態(tài)。這樣的量子信息單位現(xiàn)在一般被稱為量子比特。Wiesner 指出，由于不改變量子比特的狀態(tài)將無法對其進行測量，所以這就意味著無法進行精確的拷貝或 “克隆”。否則，只需測量對應的克隆就能在不改變原量子比特狀態(tài)的情況下提取其信息。這個限制即后來所謂的“量子不可克隆”，已被證明對信息安全很有利，因為它使黑客無法不留痕跡地竊取到量子信息。

1984年，IBM計算機科學家Charles Bennett和他的合作者——加拿大蒙特利爾大學的Gilles Brassard受到Wiesner的啟發(fā)，一起想到一個巧妙的方法來讓兩個用戶生成無法被破解并且只有他們自己知道的密鑰。該方法依據(jù)的原理是光發(fā)生偏振后，光波（電磁波）會在水平或垂直平面振蕩。一名用戶將隨機產生的0/1序列轉化為以上述兩種偏振狀態(tài)編碼的量子密鑰，發(fā)送給另一名用戶。再經過一系列步驟，接收者檢測密鑰并確認傳輸未因竊聽者的測量而受到干擾。確認密鑰的安全性后，雙方就可以加擾任何由經典比特組成的信息，比如一幅圖像，再像在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)或任何其他鏈路上傳輸任何其它加密信息一樣進行傳輸。

1989年， Bennett帶領的團隊在實驗中首次展示了這種“量子密鑰分發(fā)”(QKD)。今天, 使用類似框架的QKD 產品已實現(xiàn)商用，采購方通常是金融或政府組織。例如，2001年在瑞士日內瓦成立的ID Quantique公司就建立了一個量子鏈路，十多年來一直在為瑞士的選舉結果提供保護。

去年，按照中國科技大學物理學家潘建偉的構想而建造的中國墨子號衛(wèi)星取得了舉世矚目的成就。墨子號使用Bennett-Brassard密鑰分發(fā)協(xié)議的變體版本，創(chuàng)建了兩個密鑰，并將其中一個發(fā)送到位于北京的地面站，另一個發(fā)送到位于維也納的地面站。之后，一臺星載計算機將兩個密鑰組合起來創(chuàng)建一個新密鑰，再以經典傳輸方式傳回地面。位于維也納和北京的團隊利用自己的私鑰，就能夠對新密鑰解擾（相當于以己方密鑰進行減運算），從而獲知對方密鑰。通過這兩個密鑰，一方團隊就可以解碼另一方團隊用其密鑰加密的信息。去年 9月，潘教授和Zeilinger使用這種方法建立了第一個部分以量子密鑰加密的跨洋視頻通話。

類似墨子號的衛(wèi)星可以幫忙解決目前困擾量子通信安全的最大挑戰(zhàn)之一：距離。建立密鑰需要光子，而光子會被大氣或光纖（在地面?zhèn)鬏敃r）吸收，致使量子傳輸在超過幾十公里后便不可行。

在荷蘭代爾夫特理工大學開展的一項實驗中，實驗人員嘗試將基于金剛石的系統(tǒng)作為量子互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。

來源：Marcel Wogram for Nature

因為量子態(tài)不可復制，所以想要發(fā)送一個量子比特的多個拷貝以期至少有一個可以到達是不現(xiàn)實的。因此，目前建立遠程 QKD 連接需要建造“可信任節(jié)點”來充當中繼站。如果有人入侵了一個處理既有量子形式也有經典形式的密鑰的可信任節(jié)點，他將能夠復制密鑰而不被監(jiān)測到——當然，運行該節(jié)點的政府或公司也能。這無論對于地面上的可信任節(jié)點還是墨子號，都是如此?！靶l(wèi)星掌握著一切?！迸私▊フf。但是使用衛(wèi)星可以減少遠程連接所需的可信任節(jié)點數(shù)量。

潘教授說可信任節(jié)點代表著離實現(xiàn)某些應用又近了一步，因為它們減少了網(wǎng)絡易受攻擊位置的數(shù)量。他還領導了規(guī)模龐大的京滬量子通信干線的建設。這條干線于2017年9月啟用，通過2000多公里的光纖、32個可信任節(jié)點將4個城市連接起來 ，并正在進行銀行和商業(yè)通信應用測試，例如連接網(wǎng)購巨頭阿里巴巴的數(shù)據(jù)中心。

量子連接

但是，包含可信任節(jié)點的網(wǎng)絡只能算是局部量子網(wǎng)絡。在這樣的網(wǎng)絡中，量子物理發(fā)揮的作用只局限于節(jié)點如何生成密鑰；后續(xù)信息的加密和傳輸仍然完全采用經典方式。真正的量子網(wǎng)絡不需要引入易受攻擊的可信任節(jié)點，也能利用量子糾纏和量子隱形傳態(tài)遠距離傳輸量子信息。

構建這類網(wǎng)絡的主要動機之一是實現(xiàn)量子計算機之間的通信，包括跨國通信和同一機房內的通信。任一計算系統(tǒng)可以承載的量子比特數(shù)可能有限，因此將這些系統(tǒng)連接起來可以幫助物理學家們擴展系統(tǒng)。“目前，靠譜的預測是或許能夠建造一個擁有幾百量子比特的量子計算機，”哈佛大學物理學家Mikhail Lukin說，“但如果要超過這個規(guī)模，唯一可行的方案就是利用模塊化的量子通信方法?！?/p>

對此，研究人員設想的是一個量子計算云，其中包含少量高度精密的計算機，大部分的大學實驗室都可以通過量子互聯(lián)網(wǎng)訪問它們?！傲硗庵档梅Q道的是，這種云量子計算也是安全的，”代爾夫特大學實驗物理學家Ronald Hanson說，“服務器一側的人員將無法知道你正在運行什么程序，也無法獲取你在使用的數(shù)據(jù)?！?/p>

研究人員想到了大量潛在的互聯(lián)網(wǎng)應用場景，比如拍賣、選舉、合同談判和高頻交易，量子方式會比傳統(tǒng)方式更快更安全。

但受量子互聯(lián)網(wǎng)影響最深遠的恐怕是科學本身。 一些研究人員指出，如果利用量子糾纏同步時鐘，可以將全球定位系統(tǒng)之類的導航網(wǎng)絡的精度從米提高到毫米級。Lukin等人提出使用量子糾纏將相距遙遠的原子鐘組合成一個精度大幅提升的單個時鐘，他舉例說這有望帶來探測引力波的新方法。在天文學領域，量子網(wǎng)絡或許可以將相距數(shù)千公里的光學望遠鏡連接起來，獲得相當于一個同等直徑的單碟望遠鏡的分辨率。這種方法被稱為甚長基線干涉測量，對于射電天文學而言已經是常規(guī)應用，但對于光學天文學觀測而言，目前還無法達到所需的時間精度。

超凡的安全性

在過去的十年左右時間里，馬里蘭大學的物理學家Christopher Monroe和其他人通過實驗，給出了構建真正的量子網(wǎng)絡所需的一些基石，例如利用隱形傳態(tài)將量子比特編碼的信息從一處傳送到另一處（參見“搭建量子互聯(lián)網(wǎng)”）。

Nik Spencer/Nature

要理解量子隱形傳態(tài)（同樣是Bennett和Brassard 提出的）如何工作，可以想象兩個用戶：Alice和Bob。Alice擁有一個量子比特（可能是一個被困離子或其它量子系統(tǒng)），并希望將其中存儲的信息傳輸給Bob。碰巧，Alice和Bob擁有兩個相互糾纏的“代理”粒子——也是量子比特。如果Alice可以在她的量子比特和代理粒子間建立糾纏，那么這個量子比特也將與Bob的粒子產生糾纏。為此，Alice對她的兩個粒子執(zhí)行特定類型的聯(lián)合測量，然后她與Bob分享該測量結果（常規(guī)經典數(shù)據(jù)）。為了完成隱形傳態(tài)的最后一步，Bob依照該信息操作其粒子，最終該粒子得以與Alice的量子比特的最初狀態(tài)一樣。

實際上，Alice和Bob獲取糾纏態(tài)代理粒子的方式無關緊要。這些粒子可以是通過公文包遞送的單原子，也可以是第三方發(fā)射的光子。（去年，墨子號的實驗之一就是向位于中國的兩個地面站發(fā)送糾纏光子對，兩地相隔1200多公里，距離創(chuàng)下歷史記錄。) Alice 和 Bob還可以將光子發(fā)送到第三個位置進行互作，使他們持有的量子比特形成糾纏。

量子隱形傳態(tài)的美妙之處在于，量子信息實際并沒有通過網(wǎng)絡傳播。傳播的光子只是為了在Alice和Bob之間建立連接以便傳輸量子信息。如果一對糾纏光子沒能建立連接，另一對就會。這意味著光子的丟失不會導致量子信息的丟失。

連接與中繼

量子互聯(lián)網(wǎng)將能夠在任意兩個用戶間隨需生成量子糾纏。研究人員認為這將涉及通過光纖網(wǎng)絡和衛(wèi)星鏈路發(fā)送光子。但是，連接遠程用戶需要一項可以擴展量子糾纏可達范圍的技術，從而使糾纏可以在用戶之間以及中繼站之間傳播。

2001年，Lukin和他的合作者提出了一種實現(xiàn)這種量子中繼器的途徑。在他們的方案中，可存儲量子比特并進行簡單運算的小型量子計算機被用來在上游基站和下游基站的量子比特之間建立量子糾纏。沿著網(wǎng)絡中的一條路徑重復應用這種“量子糾纏交換”過程，最終可以在任意兩個用戶間建立量子糾纏。

2015年，Hanson和他的合作者將兩個由金剛石晶體的單原子缺陷產生的量子比特連接起來——二者相距1.3公里，展示了如何構建一路量子網(wǎng)絡。由這兩個量子比特發(fā)射出的光子在一個中間站匯合后發(fā)生相互作用、建立糾纏。麻省理工學院物理學家Seth Lloyd說：“這表明人們確實可以在兩個遠距離的量子信息處理器之間建立糾纏——強而可靠的糾纏?！?/p>

研究人員也在探索其它可以構建和操縱量子比特的方式，包括Monroe等人開辟的、利用懸浮于真空的單離子；或者利用通過腔體內兩個鏡面的來回反射配對原子和光子的系統(tǒng)。

像Hanson的金剛石系統(tǒng)一樣，這些量子比特既可用于構建量子中繼器，也可用于制造量子計算機。幸運的是，對于希望擴大量子通信規(guī)模的人們來說，中繼器的要求可能不像成熟的量子計算機的要求那么苛刻。去年9月，巴黎狄德羅大學的量子計算研究者Iordanis Kerenidis在奧地利塞費爾德的量子中繼器研討會上發(fā)表了上述觀點。“如果你告訴實驗人員你需要1000個量子比特，他們會笑的，”他說，“如果你告訴他們你只需要10個——好，他們會笑得輕一些。”

系統(tǒng)工程關乎量子互聯(lián)網(wǎng)的前景。“從實驗的角度來說，人們已經給出了（量子網(wǎng)絡的）各種構建模塊。”奧地利因斯布魯克大學的物理學家Tracy Northup說。他的團隊是Wehner的泛歐量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的一員，從事腔量子比特研究?！暗阉鼈兎旁谝黄稹覀兌贾滥嵌嗝淳哂刑魬?zhàn)性?！盢orthup說。

目前，Wehner 的聯(lián)盟仍處于初級階段，正在尋求公共資助和企業(yè)合作伙伴。與此同時， Wehner、Hanson以及 Erwin van Zwet（荷蘭科研組織 TNO的一名聯(lián)合系統(tǒng)工程師）共同領導構建了一個示范網(wǎng)絡。Hanson和他的同事們在持續(xù)提高系統(tǒng)的速度；在2015的實驗中，在相當于約9天的時間內，系統(tǒng)總計建立了245對糾纏量子比特。另一個關鍵的挑戰(zhàn)是，將金剛石量子比特發(fā)射的光從可見光波長可靠地轉換為更長的紅外線波長，后者在光纖中可以更好的傳播；這是個棘手的問題，因為新的光子仍然需要攜帶之前的量子信息，但又沒有克隆的可能性。今年早些時候，Hanson和他的同事們通過讓光子與波長較長的激光束相互作用實現(xiàn)了這一點。這種技術可以使相隔幾十公里的量子比特通過光纖建立起連接。

Hanson的團隊目前在代爾夫特和海牙建立鏈路，兩地間距足有10公里。研究人員希望到2020年能連接起4個荷蘭城市，并在每個城市設立一個中繼站。如果成功，該項目將是世界上首個真正意義上的基于量子隱形傳態(tài)的網(wǎng)絡。Hanson的團隊希望將來可以對其他感興趣的團隊開放這一網(wǎng)絡，讓他們可以遠程進行量子通信實驗，這很像IBM的量子計算平臺（Quantum Experience），后者允許用戶遠程登錄一臺初級量子計算機。

上述網(wǎng)絡或許能為研究人員提供一個測試平臺，用以修復互聯(lián)網(wǎng)缺陷，尤其是用戶可以輕易偽造或竊取身份?！安粍?chuàng)建身份帳號就可以接入網(wǎng)絡，這個問題由來已久?！彪娦旁O備巨頭思科的網(wǎng)絡工程師Robert Broberg 在塞費爾德研討會上說。Wehner 和其他人提出的量子技術，允許用戶無需上傳密鑰就能證明他們擁有合法密鑰（一系列經典比特），從而驗證他們的身份。而用戶和服務器使用上述密鑰創(chuàng)建一個量子比特序列，并發(fā)送給位于他們之間的“黑匣子”。這個黑匣子——比如說一臺取款機——無需識別密鑰就可以對比兩個序列以確認它們是否匹配。

但也有研究人員提醒不要過度消費此技術的發(fā)展前景。“現(xiàn)今的互聯(lián)網(wǎng)不會完全量子化，正如未來的計算機不會全部采用量子計算技術。”瑞士日內瓦大學物理學家、ID Quantique聯(lián)合創(chuàng)始人Nicolas Gisin說。人們希望通過量子網(wǎng)絡實現(xiàn)的多數(shù)事情其實可以用更常規(guī)的技術做到?！坝袝r候，有些東西乍看起來很妙，結果發(fā)現(xiàn)不借助量子效應也很容易實現(xiàn)?！奔幽么蠡F盧大學的物理學家Norbert Lütkenhaus說，他正在參與制定未來量子互聯(lián)網(wǎng)的相關標準。

Zeilinger表示，時間會告訴我們量子互聯(lián)網(wǎng)的潛在紅利能否兌現(xiàn)。據(jù)我們所知，隱形傳態(tài)是一種物理上可能但不會自然發(fā)生的現(xiàn)象，“所以它對人類來說確實是新事物，這可能需要一些時間去理解?！?/p>

Wehner既熟悉物理，又熟悉網(wǎng)絡安全，已成為業(yè)內同仁的標桿。在完成基于量子力學核心理論的大量工作后，她很享受塑造這些未來網(wǎng)絡的機會，她說：“對于我而言，這真的很完美。