不可被破解!日本拟 5 年内建立短距离量子互联网,从便捷连接向安全性过渡

思否编辑部

量子力学奠基人

量子互联网被认为是理想的互联网,即使与一千公里以外的人交流,理论上也不会泄露信息。从传统互联网向量子互联网的转型,被业界称为从追求便捷连接的时代进入到追求安全性的新阶段。

2020 年 7 月,美国政府宣布了建设量子互联网的蓝图。当时的报告称,基于量子力学的通信系统是“二十一世纪最重要的技术前沿之一”,科学家计划借此建立一个“几乎不可破解的网络”。近日,日本 Mercari 公司、东京大学和大阪大学也联合发布了一项公告,表示计划在 5 年内建立短距离量子互联通信网。

几乎不可破解的网络 —— 量子互联网

量子互联网可以理解为支撑量子通信的一种新型功能网络,它不是、也不可能替代传统的互联网,而是传统互联网功能的延伸和补充。在传统互联网上传输的是由电信号承载的传统比特(bit),量子互联网传输的则是由量子态承载的量子比特(Qbit)。

人们以为互联网就是各种光纤、电缆和天线的组合,其实是大错特错了,支撑起互联网的功臣是路由器、交换机、服务器和TCP/IP通信协议,是它们的大力协作才能使传统比特信息高速、准确和有序地传达四方。

关于量子互联网的定位,媒体一般会用这句话来作为概述:下一代互联网将依靠革命性的新技术,带来不可破解的网络和比光速更快的信息传播。

这背后是因为量子互联网引入了在微观世界成立的“量子力学”法则,其关键在于一种看起来可以让信息瞬间移动的技术,即“量子隐形传态”技术。

用量子世界的先驱之一 Eden Figueroa 的话来说是量子世界的先驱园丁之一

在美国、欧洲和中国,只有几百名左右的物理学家真正理解如何利用量子物理学中一些最奇怪、最前言的方面。在这个奇怪的舞台上,物体可以同时以两种或两种以上的状态存在,称为叠加态;它们可以在长距离内瞬间相互作用;它们可以闪进闪出。像Figueroa这样的科学家想利用这种奇异的行为,并将其转化为一个正常运行的新时代互联网,他们说,这个互联网将是坚不可摧的,可以安全地发送信息,不受黑客的攻击。

目前的互联网是将信息转换成光信号进行交换,而量子互联网是利用微弱的光粒子——“光子”来传递信息。根据量子力学法则,信息将伴随发送端的光子瞬间抵达接收端,就好像是“瞬间移动魔法”一样。

能够更安全地控制和传输信息的量子互联网目前处于发展初始阶段,未来将对科学、工业及国家安全相关关键领域产生深远影响。量子互联网可能首先在银行和医疗服务等行业推广,应用于国家安全和航空通信领域,最终对全球每个人的生活产生广泛影响。量子互联网究竟是什么?《探索》杂志的记者Dan Hurley,深入科研一线进行了观察,本文是他的记录,原文标题《The Quantum Internet Will Blow Your Mind. Here’s What It Will Look Like》。

如何打造量子互联网?

量子互联网的建设需要巨大的投入,不仅是金钱,还有时间与精力。

例如,欧盟在量子技术旗舰计划的支持下,计划在 10 年内建成量子互联网。预计未来 10 年,在地面量子通信投入约 3.5 亿欧元,在天基量子通信投入约 11 亿欧元;此前俄罗斯国家开发银行在访问中国科大上海研究院时表示,计划投资约 50 亿人民币专项资金用于支持俄罗斯量子中心开展量子通信研究;2018 年美国国家量子计划法案正式签署颁布,计划投资约 13 亿美元,集合国家力量统一协调量子技术和产业发展。

除了钱之外,还有研究策略与步骤。此次日本拟建的短距离量子互联网并没有太多公开资料,具体情况我们暂时不得而知。但我们可以参考一下美国能源部发布的“从远距离纠缠到建立全国性量子互联网”的报告中提出的需要优先发展的研究方向:

1)为量子互联网提供基本的构建模块;
2)整合集成多个量子网络设备;
3)实现量子纠缠的中继、交换和路由;
4)实现能容错的网络功能。

报告还提出了 5 个里程碑,即 5 个阶段性目标:

1)在光纤网络上完成量子安全协议的验证;
2)实现校园之间和城市内的纠缠分发;
3)通过纠缠交换实现城际量子通信;
4)通过量子中继,实现州际量子纠缠分发;
5)建立国家实验室、学术界和产业界之间的多方生态系统,由原型演示迈向运营基础设施阶段。

在量子通信领域的具体发展路径上,各国还是有着较大区别的。根据工业科技领域权威平台《科工力量》此前发布的行业观察所述,美国将立足于“量子互联网”,以基础科学研究为引导。而中国则是倾力于“量子密钥分发技术”(QKD),主要在做 QKD 的工程化、产业化。中美两国在量子通信领域基本属于两个不同的侧重方向。


近年来我国在量子通信领域取得了突破性的进展,无论是世界首条远距离量子通信“京沪干线”,还是全球首颗量子通信实验卫星“墨子号”,在全球量子通信领域都属于前沿探索者。

据公开信息展示,在国家顶层设计和战略部署下,2018 年 2 月,国家发改委正式批复了新一代信息基础设施工程“国家广域量子保密通信骨干网络项目”,该项目旨在通过 5-10 年的努力,在全球率先建成面向一带一路、服务国家战略需求、规模最大、技术最先进的地面总里程约 35000 公里的星地一体量子网络。

因为量子通信除了应用意义外,也有很多国家层面的战略意义,所以各国之间处于发展竞争关系,在这种背景下,能否在技术发展的早期占据领先优势,实现核心技术的国产化就变得至关重要。

部分参考资料来源:

Dan Hurley:《The Quantum Internet Will Blow Your Mind. Here’s What It Will Look Like》。
墨子沙龙:《量子互联网到底是什么?中美竞争走到了哪一步?》&《量子通信的问与答》
科工力量:《量子互联网究竟是怎么回事》
神译局:《不可被破解的“量子互联网”,离我们还有多远?》

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