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美800公里量子通讯网络项目曝光!中、美、欧已全面加入量子互联网竞争

北极蚊子 2018-11-6 21:35

互联网的问世只不过几十年的时间,已经极大地改变了人们的工作和生活方式,塑造了文明新样态。下一步它又将如何“进化”?

量子互联网将会是一个重要的方向。1900年,普朗克在研究黑体辐射发现了量子现象,时至今日, 量子通信正在从实验室走向网络世界。就在最近,美国的第一个大规模量子互联网项目已经显现雏形。

10 月 26 日,一家名为 Quantum Xchange 的创业公司表示,它已被允许接入沿美国东海岸运行的 500 英里(805 公里)光纤电缆,用以为美国创造该国的首个州际、商用量子密钥分发(quantum key distribution (QKD))网络。

图丨 Quantum Xchange 宣布建设全美首个量子互联网(来源:Quantum Xchange)

值得一提的是,随着这一次的美国这个量子互联网项目的到位,加上更早之前中国、欧洲(荷兰、英国等)、日本分别宣布的建设量子互联网项目,全球量子互联网的竞争态势将更加激烈。那么,未来谁又将率先建成这个极具想象力、也极具挑战的全球首个量子互联网?

美国最新量子互联网项目:华盛顿到波士顿 800 公里的试验田

美国的这次量子互联网建设的主角是 Quantum Xchange,这是一家位于马里兰州贝塞斯达的量子通信提供商。Quantum Xchange 计划在今年年底前启动和运行量子网络,并提供商业服务。

(来源:Quantum Xchange)

量子密码学和量子网络并不是什么新概念,但近年来,量子密码学和量子网络已愈发成为人们关注的焦点,甚至被视为未来安全通信的救世主量子通信基于量子物理的基本原理,以光子作为媒介,在两端共享量子密钥。量子物理的基本原理使得在不破坏光信道或完全复制密钥的情况下截获密钥变得非常困难。这种量子密钥分发 (QKD) 技术,是未来端到端加密技术的有力竞争者。

Quantum Xchange 的方法正是利用了 QKD 技术。根据他们的描述,和其他处于研发中的方案不同,基于他们的这种技术,Quantum Xchange 的量子网络现在就可用,而且此方案弥补了目前加密技术中的一些不足之处。

(来源:Quantum Xchange)

传统互联网对于窃听难以防范,因为今天的光纤中传输的仍然是经典比特,即代表 0 和 1 的电子或光脉冲流。窃听者甚至可以不接入信道,就读取和复制经典比特,不会留下任何痕迹。量子物理学则允许一个微粒——原子、电子或者光子——处于即是 0 又是 1 的叠加态。该粒子称为量子比特。读取该比特的尝试会导致该量子比特坍缩为 0 或者 1。这意味着窃听者如果试图窃听量子比特,就会毁坏信息,从而被通信双方发现。量子叠加态这一特性已经被 QKD 技术所利用,即数据通过传统互联网发送,而解密用的密钥通过量子网络传送。

(来源:Quantum Xchange)

而 Quantum Xchange 使用的 QKD 方法通过以经典比特发送编码消息来工作,而解码它的密钥以量子比特的形式发送

Quantum Xchange 首席执行官 John Prisco 表示,在“量子计算机前所未有的威力成为攻击性武器”之前,建立一个量子密钥分发网络作为防御措施是“至关重要的”。

图丨 John Prisco(来源:Quantum Xchange)

在具体的操作过程中,Quantum Xchange 选择与美国的光纤网络巨头 Zayo 合作,共同“改造”波士顿和华盛顿之间的一段光纤,帮助华尔街的金融家们与在新泽西州附近的后台业务建立交流成为可能。Quantum Xchange 认为,高端投资者是最初的目标市场,但公司希望扩展到其他行业,例如从医疗保健到基础设施建设的其他行业,他们都能尽快利用该网络实现自己的安全通信。

“到时候,在波士顿的公司将能够向华盛顿特区甚至更远的的合作伙伴发送安全通信。我们的目标是继续购买已经部署于全国的光纤,这样我们就可以部署一个为整个国家服务的安全的量子网络”,Prisco 说。

此外,Prisco 还提到,欧洲已经在建立小规模量子网络方面取得了一些成功,但现有的“缺点”让将该系统引入美国变得更加困难。他的公司使用可信节点技术,在更远的距离内点对点传递量子密钥数据,从而使在更广阔的地理空间上扩展量子网络变得更容易。

但是,由于 Quantum Xchange 具体公开的技术细节并不多,其能否实现它所宣称的这些效果,仍有待进一步验证。

荷兰 QuTech 量子互联网:2020 年完成 4 城互联

和 Quantum Xchange 近日才显山露水的量子互联网项目不同,欧洲雄心勃勃的量子互联网建设已经接连公开多项最新进展,因此,在 Quantum Xchange 这一次之前,不少人认为全球首个商用量子互联网或将在荷兰诞生

欧洲量子互联网建设中的核心成员是来自荷兰的 QuTech。这是一家研究量子科学的顶尖学术机构,由荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)和荷兰应用科学研究机构(TNO)共同运作,QuTech 同时还是英特尔公司的研发合作伙伴。

近日,《麻省理工科技评论》编辑 Martin Giles 受邀前往 QuTech 的办公室,在那里,QuTech 的三位科学家向我们独家揭示了量子互联网如何发展的路线图。他们计划构建出代尔夫特和其他 3 个荷兰城市之间的量子互联网给出的时间表是 2020 年

图丨斯蒂芬妮·维尔纳和罗纳德·汉森(来源:QuTech)

QuTech 的研究人员在斯蒂芬妮·维尔纳(Stephanie Wehner)和罗纳德·汉森(Ronald Hanson)的领导下,正在努力克服一系列技术难题,推进项目。如果成功,该项目有望成为下一代量子互联网的样板,就像 1960 年代美国国防部创建的 Arpanet 成为今天互联网的前身一样。

目前的量子密钥分发仍然存在局限性。光子在大气层和光纤中的传输总是存在衰减因此传输距离通常无法超过几十千米。例如,中国建立的北京-上海密钥分发网络为了解决这个问题,设立了 32 个可信节点,承担信号的中继任务。为了实现中继,密钥必须被解码,然后重新以量子技术加密,再发送出去。显然,窃听者只要渗透可信节点,就可以获取密钥而不留下任何痕迹,因此“可信节点”并不完全可靠。

维尔纳和汉森领导的 QuTech 研究团队意图克服此局限,建立完全以量子技术进行数据传输的互联网。他们依靠的物理原理是“量子隐形传态”(quantum teleportation)。尽管该原理听上去有点科幻,但是基于量子纠缠、量子隐形传态确确实实可以实现。

量子纠缠指 2 个量子比特——在光纤中是光子——以单一量子态被创造出来。这两个量子比特即使被分离,它们之间仍然能保持联系。改变其中一个量子比特的状态另一个与之纠缠的量子比特的状态也会同时随之改变不管相距多远。爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的超距作用”。

图丨量子隐形传态工作原理(来源:MS TECH)

当前,有很多方法可以产生纠缠态的量子比特。汉森领导的 QuTech 硬件创新团队使用包含特定氮空缺的显微合成钻石来制造量子比特,钻石中的缺陷能产生可以长距离传输的光子。

然而,该方案面临巨大的科学和工程挑战。汉森表示,他们对长距离纠缠做了很多实验,但是绝大多数方案都不够理想。由于两个城市之间的光纤链路可能要绕行很远,因此必须制造出存活距离远远超过两个城市之间直线距离的纠缠光子。

当然,研究团队还是取得了相当的进展。2015 年,汉森团队成功将 2 个纠缠态量子比特发送到相隔 1300 米远的地方。不过,这种发送每小时只能进行 1 次,且每次发送后,量子比特纠缠态的存续时间远远小于 1 秒。2015 年 6 月,该团队声称,他们已经能将 2 个电子发送到相距几米的 2 个地方,而且每秒钟可以进行 40 次发送。这次实验证明,满足实际需要的量子纠缠网络是可能建立起来的

图丨 QuTech 量子互联网规划示意图(来源:MS TECH)

但是,实验室中实现纠缠光子的分发是一回事,在现实世界中将其实现又是另外一回事。其中的技术挑战包括以足够的频率发送纠缠态光子(传输速率)和让光子的存活距离足够远(相干性)。后者需要用激光器来产生波长较长的光子,以便让光子在光纤中传输得更远。

荷兰看上去是实现全球量子网络雄心的合适起步地点,因为其城市之间的距离很近。然而,在可预见的将来,全球量子网络的实现可能必须要依靠量子中继技术。当然,与中国等国家目前采用的“可信节点”不同,量子中继技术无需进行量子信息到经典信息的转换就可以实现量子信息中继从而彻底消除秘密窃听的可能性

QuTech 始终以 2020 年完成 4 个城市之间的互联量子网络为目标,尽管维尔纳承认这个截止时间“太紧张”。QuTech 的工作对新近发起的“欧洲量子互联网联盟”(Quantum Internet Alliance (QIA))项目产生了很大影响。维尔纳也正在积极寻求合作伙伴,意图建立一个“能令地球上任意两点之间实现量子通信的全球网络”。

(来源:麻省理工科技评论)

全球量子互联网竞赛方兴未艾

早在 2016 年 11 月 5 日,中科院院士潘建伟表示,中国计划用 15 年左右时间,构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网,即量子互联网。

而在过去几年,中国同样在 QKD 技术方面取得了令人瞩目的成就2017 年分别位于北京和维也纳的 2 个地面站借助“墨子”号量子技术试验卫星实现了密钥传输用于解密通过传统互联网发送的加密视频。在这个过程中,任何试图窃听密钥的做法都会毁坏密钥,导致视频无法被解密;除了“墨子”号卫星,中国还建立了北京和上海之间的地面量子密钥分发网络——“京沪量子干线”,全程2000余公里,为银行和其他企业提供敏感数据安全传输服务。两者结合,标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形。

图丨被 Nature 誉为“中国量子之父”的潘建伟(来源:Nature)

潘建伟和维也纳大学的 Anton Zeilinger 教授领导的两个研究组,目前也正在开展合作创建第一条连接亚洲和欧洲的跨洲际量子通信网络。如果这一目标得以实现,两国的科学家将在全球建立起量子互联网的第一条连接。除此之外,中国也在计划建立珠海和香港之间的无“可信节点”的量子通信网络。考虑到“墨子”号卫星和之前北京-上海量子网络的构建速度,这一计划同样值得期待。

看到这里,或许有人会问,量子互联网究竟会给我们的生活带来什么改变?尽管量子密码学已经存在多年,但直到最近科学家和才将这项技术应用于实际应用,而量子互联网很有可能开启经典通信方式无法实现的广泛应用场景,包括将量子计算机连接在一起;使用远距离分布的天文台打造超高分辨率望远镜;甚至获得探测引力波的新方法。正如 Nature 杂志网站在其近日的报道中所说的,利用量子物理学独特效应的量子互联网将与我们今天使用的经典互联网大相径庭

还有业内人士认为,量子互联网甚至来会取代目前的互联网体系。维也纳大学物理学家 Anton Zeilinger 就是其中一员,他表示:“我个人认为,未来的通信即使不是全部也会绝大部分都基于量子。”1997 年,他领导了首批基于量子隐形传态的实验之一。

(来源:麻省理工科技评论)

但我们需要清除地意识到,无论是 Quantum Xchange、QuTech 还是潘建伟团队,他们都在致力于建成量子互联网这一目标,但都距离实现它都还有一定距离。奥地利因斯布鲁克大学教授川西·诺斯普(Tracy Northup)特别表示,关于量子互联网有很多美好的设想,但是目前连实验室验证都没实现。

但假如量子互联网得以实现,背后也会引发一系列问题。无法被秘密窃听的量子互联网是对所有人都开放呢,还是大公司和政府的特权领域?此外,政府是否会要求量子互联网必须给政府留下监听后门,就像今天在软件和手机中留下后门一样?

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