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量子网络时代已至
时间:2018-04-04 09:54:35来源:科学网
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提要:多年来,量子粒子在不确定状态下存在的能力一直被用于强化数据加密。
量子网络时代已至

Stephanie Wehner是一个试图在欧洲建立真正量子网络的团队成员。

图片来源:Marcel Wogram for Nature

在成为理论物理学家前,Stephanie Wehner是一名黑客。和该领域的大多数人一样,她从很小的时候就开始自学。15岁时,Wehner用存款买了自己的第一台拨号调制解调器,并将其用在位于德国维尔茨堡的父母家中。20岁时,她获得足够的“街头信誉”,并在荷兰阿姆斯特丹谋得一份工作。那是一家由同行黑客创建的互联网提供商。

若干年后,当Wehner成为一名网络安全专家时,她进入了大学学习。在那里,Wehner了解到,量子力学提供了一些今天的网络非常缺乏的东西——打造无法破解的通信系统的潜力。如今,Wehner将过去的迷恋转向新的理想。她想彻底改造互联网。

多年来,量子粒子在不确定状态下存在的能力一直被用于强化数据加密。但如今在代尔夫特理工大学任职的Wehner和其他研究人员提出,他们可利用量子力学做更多事情——利用自然界使遥远物体相互联系或者纠缠的神秘能力,并在两者间传送信息。Wehner说,起初,所有这一切听上去非常理论化。而如今,“人们有了实现它们的希望” 。

量子密匙

量子通信模式的最早提出可追溯至上世纪70年代左右。当时还是美国哥伦比亚大学年轻物理学家的Stephen Wiesner从量子力学最基本的一项原则中发现了潜力:如果不改变系统,便无法测量它的属性。

Wiesner提出,信息可被加密进诸如分离的原子等物体的状态中。而原子的“旋转”能向上或者向下——就像经典比特中的0和1,但也能同时处于两种状态。现在,这种量子信息单元通常被称为量子比特,或者量子位。Wiesner认为,由于量子位的属性在不改变其状态的情况下是无法被测量的,因此也不可能产生它的精确拷贝或者“克隆品”。否则,人们仅通过测量“克隆品”,便可在不影响原始量子位的情形下提取关于其状态的信息。这一禁律随后被称为量子不可克隆定理,并且被证实是安全领域的一大福音,因为黑客无法在不留痕迹的情况下提取量子信息。

1984年,受Wiesner启发,IBM计算机科学家Charles Bennett和来自加拿大蒙特利尔大学的Gilles Brassard合作提出了一个巧妙的计划,即两个用户能产生只有他们知道的牢不可破的加密密钥。该计划依赖于这样一个事实——光可被极化,从而使电磁波在水平或者垂直面上振荡。一个用户将随机的1和0序列转变成加密在两种极化状态中的量子密匙,并将其发送给另一个人。接受者一步步测量密匙并且确定这一传送未受到“窃听者”测量的干扰。出于对密匙安全的信任,双方随后可拼凑任何由经典比特组成的信息(比如图像),并像通过传统网络或者任何其他渠道传送任何其他密文一样将其发送出去。

1989年,Bennett带领团队首次实验验证了这种“量子密匙分发”(QKD)。如今,利用类似方案的QKD设备已实现商业应用并且通常卖给金融或者政府机构。例如,2001年在瑞士日内瓦成立的ID Quantique公司建立了连续十多年保护该国选举结果的量子连接。

隐形传态

过去十多年间,由马里兰大学物理学家Christopher Monroe和其他人开创的试验展示了建造真正的量子网络——比如将加密在量子位中的信息从一个地方传送到另一个地方——所需的一些基本条件。

为理解这种远距传动是如何发挥作用的,想象一下两个用户:Alice和Bob。Alice拥有一个可能是陷俘离子或者一些其他量子系统的量子位,并且将储存在其中的信息发送给Bob。碰巧,Alice和Bob拥有两个同样是量子位且相互纠缠的“代理”粒子。如果Alice能将她的量子位和“代理”粒子纠缠,引申开来,该量子位也将同Bob的粒子发生纠缠。为实现这一点,Alice对她的两个粒子进行了某种类型的联合测量。随后,她同Bob共享了这一测量结果(为普通的传统数据)。为完成传送过程,Bob随后利用这些信息操控他的粒子,从而使其最终获得Alice的量子位最初拥有的状态。

出于实际考虑,Alice和Bob如何获得相互纠缠的“代理”粒子并不重要。比如,它们可以是装到公文包里的单个原子,或者通过第三方发送给双方的光子。去年,中国利用“墨子号”量子卫星开展的试验将纠缠的光子对发送给该国两个地面站,而两个站点之间的距离达到破纪录的1200多公里。Alice和Bob也可以发送光子,使其在第三个位置发生相互作用,从而实现量子位纠缠。

量子隐形传态的优点在于量子信息在技术上不会沿着网络穿行。而穿行的光子仅被用于建立Alice和Bob之间的连接,从而确保量子信息随后可被传递。如果一对纠缠的光子无法建立连接,另一个将会建立。这意味着即便光子丢失了,量子信息也不会失去。

连接和中继

量子网络将能按需产生任何两个用户之间的纠缠。研究人员认为,这将涉及通过光纤网络和卫星链路发送光子。不过,将相隔很远的用户连接起来需要一种能扩展纠缠范围的技术——能沿着中间点在用户间转送。

2001年,哈佛大学物理学家Mikhail Lukin和合作者提出了一种使此类量子中继器发挥作用的方法。在他们的方案中,能储存量子位和开展简单操作的小型量子计算机被用于上游站点和下游站点量子位之间的纠缠。这种沿着网络中某一路径的“纠缠交换”过程的重复应用最终将产生任何两个用户之间的纠缠。

2015年,代尔夫特理工大学实验物理学家Ronald Hanson和合作者展示了当他们将两个由钻石晶体中的单原子杂质建立并且相隔1.3公里的量子位连接起来时,如何建立起分支网络。由两个量子位释放的光子朝中间站点穿行。在那里,它们随后发生相互作用并建立纠缠。“研究证实,人们真的能在两个遥远的量子信息处理器之间建立纠缠——强大、可靠的纠缠。”麻省理工学院物理学家Seth Lloyd表示。

目前,研究人员正在探寻构建和操控量子位的其他方法,包括利用悬浮在真空中的单个离子以及将原子配对的系统和在腔室内的两面镜子之间弹射的光子。

和Hanson的钻石系统一样,这些量子位可被用于建立量子中继器和量子计算机。幸运的是,对于希望提升量子通信能力的人们来说, 对中继器的要求可能不像对成熟的量子计算机的要求那么苛刻。去年9月,法国巴黎狄德罗大学量子计算研究人员Iordanis Kerenidis在奥地利塞费尔德举行的量子中继器研讨上提出了上述论断。“如果你告诉实验者你需要1000个量子位,他们会嘲笑你。”Kerenidis说,“如果你说需要10个,他们可能嘲笑得少一些。”

目前,创建量子网络的前景正变成一个系统工程问题。“从实验的角度来说,人们已经展示了针对量子网络的各种模块。”致力于腔室量子位研究的因斯布鲁克大学物理学家Tracy Northup表示,“不过,将这些模块集中放到一个地方——我们都知道将面临多么大的挑战。”

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作者系宗华

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