近日，美國紐約州立大學石溪分校科學家菲格羅阿等人在一篇發表于《自然·量子信息》上的論文中稱，他們通過把兩個獨立的光子存儲在銣氣里，首次在室溫條件下構建了一個量子存儲器網絡。鑒于量子存儲器是量子互聯網的基礎性技術，最新研究讓我們離量子互聯網又近了一步。
中山大學電子與通信工程學院教授孫仕海告訴科技日報記者：“相比于現有經典互聯網，量子互聯網具有更靈敏的信息獲取能力，以及更安全、更快速的信息處理能力。”
鑒于量子互聯網的上述優勢，美國、歐盟國家的多個研究機構和大企業，已競相開始構建量子互聯網。“但構建量子互聯網不可能一蹴而就，還有很多關鍵技術亟待突破。”孫仕海強調。
信息處理更快更安全
量子互聯網究竟是“何方神圣”？
孫仕海介紹：“廣義上的量子互聯網是采用量子通信連接量子傳感器和量子計算機所形成的新一代互聯網絡，是量子通信網絡、量子傳感網絡和量子計算網絡的總稱。”
量子計算機和量子傳感器等量子設備都利用了量子態的疊加和糾纏兩大特性。比特作為傳統計算機的基本信息處理單元，只能處于0和1兩種邏輯態中的一種。而作為量子信息基本單位的量子比特可以是1、0，以及兩者的疊加。因此量子計算機可以用遠超傳統比特的密度，存儲和傳輸更多信息。量子比特還能發生糾纏，即兩個或兩個以上粒子之間密不可分的聯系。愛因斯坦將量子糾纏稱為“幽靈般的超距作用”。
在上述兩大特性的加持下，擁有數以百萬計量子比特的量子計算機的功能預計會比目前最快的超級計算機強大得多，因為糾纏在一起的量子比特能同時進行更多計算。
菲格羅阿也表示，量子互聯網擁有固有的安全性。傳統互聯網的通信可以被攔截或操縱，但量子糾纏理論提出，對其中一個粒子的任何觀測都會瞬間影響到另一個粒子的狀態，而任何攔截和讀取通過量子網絡傳輸的信息的嘗試都等同于觀測，這將導致通過線路移動的量子比特疊加崩潰，從而“露出馬腳”，因此可被用來檢測任何潛在的竊聽行為。
美國能源部也曾指出，量子互聯網利用量子力學定律，和現有網絡相比，能更安全地傳輸信息，“幾乎不可破解”，未來將對科學、工業及國家安全等關鍵領域產生深遠影響。美國芝加哥大學量子研究團隊負責人戴維·奧沙洛姆則將量子互聯網稱為第二次量子革命。
量子互聯網提供的安全通信方式有望開辟更廣泛的應用領域，遠遠超出傳統互聯網的范疇。荷蘭代爾夫特理工大學量子信息學教授斯特凡妮·魏納在接受歐洲《現代外交》雜志采訪時指出，如果量子互聯網建成了，天文學是可能受益的領域之一。執行遠距離觀測任務的望遠鏡可以“利用量子互聯網讓傳感器與傳感器發生糾纏，以便生成更清晰的圖像”。
波士頓咨詢公司的一項調查稱，到2030年，后量子密碼學和量子通信市場的規模將達100億美元，與量子計算市場60億美元到120億美元的規模相當。
大規模網絡建設任重道遠
理想很豐滿，現實卻很骨感。
孫仕海認為，量子互聯網的實現有很多關鍵技術待突破。首先，量子互聯網與經典互聯網在協議和架構上具有一定的差異，如何構建高效的量子互聯網絡架構尚在研究中。其次，目前量子通信網絡的研究和建設主要還集中在量子密鑰分發等安全領域，研究如何使數據更安全傳輸，而通信網絡協議方面的研究還比較欠缺。
“最后，量子互聯網建設，除需要量子存儲、量子中繼等器件突破外，在高亮度糾纏源、高性能單光子探測、光電集成量子態調制解調芯片、針對量子器件的編程軟件等方面也亟待突破，需要進一步降低這些器件的體積、功耗、成本等，以滿足大規模網絡建設需求。”孫仕海進一步解釋道。
菲格羅阿團隊的研究正是在量子存儲器領域取得的最新進展。菲格羅阿表示，近年來建立的量子網絡都需要把溫度降至絕對零度才能運行，這限制了實用性。而他們的最新研究比以往的成果更具可行性。不過，在室溫條件下，他們目前只能把量子比特存儲零點幾秒。而其他科學家在極低溫度下能將量子比特儲存1個多小時。
此外，建立更大規模的量子網絡也充滿挑戰。專家認為，量子信息由光子攜帶，后者通過光纖傳輸，就像現有的傳統互聯網一樣。但最多“旅行”50公里到150公里后，這些光子就會被吸收。因此，目前科學家只能建立一個大都市規模的量子網絡，而無法建造一個國家或世界規模的網絡。
鑒于此，菲格羅阿團隊計劃下一步開發量子中繼器，這種裝置可以延長量子信號的傳輸距離，有助構建大規模量子互聯網。
多國發力打造量子互聯網
據《回聲報》報道，為構建更大規模的量子互聯網，多家大企業、初創企業以及大學和科研機構于2023年4月發起了“法國量子通信網絡”計劃，致力于打造法國“量子網絡的未來通信系統”，該計劃將持續30個月。
2023年，歐盟也啟動了名為“量子互聯網聯盟”的項目，匯集了歐洲各地的研究機構和公司。該項目計劃在3年內（截至2026年3月底）獲得2400萬歐元的歐盟資金。目前歐盟內部同時有27個類似的項目正在測試。法國索邦大學物理學教授朱利安·洛拉表示，這些項目旨在發展國家基礎設施，然后在歐洲范圍內連接成一個更大的量子網絡。
科學家也在全球多地開展量子互聯網方面的實驗。據歐洲《現代外交》網站此前報道，2023年5月，奧地利因斯布魯克大學的研究團隊利用量子物理學原理，沿著50公里長的光纖傳輸了量子信息。另據美國《大眾科學》月刊網站報道，亞馬遜網絡服務公司與哈佛大學合作，測試和開發量子互聯網技術，正在接受測試的量子網絡利用光子來實現量子態的長距離通信。2022年夏天，芝加哥大學量子研究團隊等也公布了一個長約200公里的量子網絡，用于測試發送量子信息的方法。2023年，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉等實現了光纖中1002公里點對點遠距離量子密鑰分發，不僅創下了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄，也提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。
科學家的目標是，有朝一日通過光纖和衛星連接，將目前在全球各地開展測試的量子通信網絡連接成一個最終橫跨全球的量子互聯網雛形。
至于這一互聯網未來將給世界帶來什么天翻地覆的變化，人們只能拭目以待。正如芝加哥大學量子研究團隊的格蘭特·史密斯所說，當互聯網的雛形首次面世時，人們沒有預料到電子商務的出現，目前我們也無法想象量子互聯網所有的潛在用途。
“當然，量子互聯網也不能完全替代經典互聯網。可以想象，即使在量子互聯網時代，網絡中應該也會存在經典的傳感器和計算模塊。”孫仕海說。
近日，美國紐約州立大學石溪分校科學家菲格羅阿等人在一篇發表于《自然·量子信息》上的論文中稱，他們通過把兩個獨立的光子存儲在銣氣里，首次在室溫條件下構建了一個量子存儲器網絡。鑒于量子存儲器是量子互聯網的基礎性技術，最新研究讓我們離量子互聯網又近了一步。
中山大學電子與通信工程學院教授孫仕海告訴科技日報記者：“相比于現有經典互聯網，量子互聯網具有更靈敏的信息獲取能力，以及更安全、更快速的信息處理能力。”
鑒于量子互聯網的上述優勢，美國、歐盟國家的多個研究機構和大企業，已競相開始構建量子互聯網。“但構建量子互聯網不可能一蹴而就，還有很多關鍵技術亟待突破。”孫仕海強調。
信息處理更快更安全
量子互聯網究竟是“何方神圣”？
孫仕海介紹：“廣義上的量子互聯網是采用量子通信連接量子傳感器和量子計算機所形成的新一代互聯網絡，是量子通信網絡、量子傳感網絡和量子計算網絡的總稱。”
量子計算機和量子傳感器等量子設備都利用了量子態的疊加和糾纏兩大特性。比特作為傳統計算機的基本信息處理單元，只能處于0和1兩種邏輯態中的一種。而作為量子信息基本單位的量子比特可以是1、0，以及兩者的疊加。因此量子計算機可以用遠超傳統比特的密度，存儲和傳輸更多信息。量子比特還能發生糾纏，即兩個或兩個以上粒子之間密不可分的聯系。愛因斯坦將量子糾纏稱為“幽靈般的超距作用”。
在上述兩大特性的加持下，擁有數以百萬計量子比特的量子計算機的功能預計會比目前最快的超級計算機強大得多，因為糾纏在一起的量子比特能同時進行更多計算。
菲格羅阿也表示，量子互聯網擁有固有的安全性。傳統互聯網的通信可以被攔截或操縱，但量子糾纏理論提出，對其中一個粒子的任何觀測都會瞬間影響到另一個粒子的狀態，而任何攔截和讀取通過量子網絡傳輸的信息的嘗試都等同于觀測，這將導致通過線路移動的量子比特疊加崩潰，從而“露出馬腳”，因此可被用來檢測任何潛在的竊聽行為。
美國能源部也曾指出，量子互聯網利用量子力學定律，和現有網絡相比，能更安全地傳輸信息，“幾乎不可破解”，未來將對科學、工業及國家安全等關鍵領域產生深遠影響。美國芝加哥大學量子研究團隊負責人戴維·奧沙洛姆則將量子互聯網稱為第二次量子革命。
量子互聯網提供的安全通信方式有望開辟更廣泛的應用領域，遠遠超出傳統互聯網的范疇。荷蘭代爾夫特理工大學量子信息學教授斯特凡妮·魏納在接受歐洲《現代外交》雜志采訪時指出，如果量子互聯網建成了，天文學是可能受益的領域之一。執行遠距離觀測任務的望遠鏡可以“利用量子互聯網讓傳感器與傳感器發生糾纏，以便生成更清晰的圖像”。
波士頓咨詢公司的一項調查稱，到2030年，后量子密碼學和量子通信市場的規模將達100億美元，與量子計算市場60億美元到120億美元的規模相當。
大規模網絡建設任重道遠
理想很豐滿，現實卻很骨感。
孫仕海認為，量子互聯網的實現有很多關鍵技術待突破。首先，量子互聯網與經典互聯網在協議和架構上具有一定的差異，如何構建高效的量子互聯網絡架構尚在研究中。其次，目前量子通信網絡的研究和建設主要還集中在量子密鑰分發等安全領域，研究如何使數據更安全傳輸，而通信網絡協議方面的研究還比較欠缺。
“最后，量子互聯網建設，除需要量子存儲、量子中繼等器件突破外，在高亮度糾纏源、高性能單光子探測、光電集成量子態調制解調芯片、針對量子器件的編程軟件等方面也亟待突破，需要進一步降低這些器件的體積、功耗、成本等，以滿足大規模網絡建設需求。”孫仕海進一步解釋道。
菲格羅阿團隊的研究正是在量子存儲器領域取得的最新進展。菲格羅阿表示，近年來建立的量子網絡都需要把溫度降至絕對零度才能運行，這限制了實用性。而他們的最新研究比以往的成果更具可行性。不過，在室溫條件下，他們目前只能把量子比特存儲零點幾秒。而其他科學家在極低溫度下能將量子比特儲存1個多小時。
此外，建立更大規模的量子網絡也充滿挑戰。專家認為，量子信息由光子攜帶，后者通過光纖傳輸，就像現有的傳統互聯網一樣。但最多“旅行”50公里到150公里后，這些光子就會被吸收。因此，目前科學家只能建立一個大都市規模的量子網絡，而無法建造一個國家或世界規模的網絡。
鑒于此，菲格羅阿團隊計劃下一步開發量子中繼器，這種裝置可以延長量子信號的傳輸距離，有助構建大規模量子互聯網。
多國發力打造量子互聯網
據《回聲報》報道，為構建更大規模的量子互聯網，多家大企業、初創企業以及大學和科研機構于2023年4月發起了“法國量子通信網絡”計劃，致力于打造法國“量子網絡的未來通信系統”，該計劃將持續30個月。
2023年，歐盟也啟動了名為“量子互聯網聯盟”的項目，匯集了歐洲各地的研究機構和公司。該項目計劃在3年內（截至2026年3月底）獲得2400萬歐元的歐盟資金。目前歐盟內部同時有27個類似的項目正在測試。法國索邦大學物理學教授朱利安·洛拉表示，這些項目旨在發展國家基礎設施，然后在歐洲范圍內連接成一個更大的量子網絡。
科學家也在全球多地開展量子互聯網方面的實驗。據歐洲《現代外交》網站此前報道，2023年5月，奧地利因斯布魯克大學的研究團隊利用量子物理學原理，沿著50公里長的光纖傳輸了量子信息。另據美國《大眾科學》月刊網站報道，亞馬遜網絡服務公司與哈佛大學合作，測試和開發量子互聯網技術，正在接受測試的量子網絡利用光子來實現量子態的長距離通信。2022年夏天，芝加哥大學量子研究團隊等也公布了一個長約200公里的量子網絡，用于測試發送量子信息的方法。2023年，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉等實現了光纖中1002公里點對點遠距離量子密鑰分發，不僅創下了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄，也提供了城際量子通信高速率主干鏈路的方案。
科學家的目標是，有朝一日通過光纖和衛星連接，將目前在全球各地開展測試的量子通信網絡連接成一個最終橫跨全球的量子互聯網雛形。
至于這一互聯網未來將給世界帶來什么天翻地覆的變化，人們只能拭目以待。正如芝加哥大學量子研究團隊的格蘭特·史密斯所說，當互聯網的雛形首次面世時，人們沒有預料到電子商務的出現，目前我們也無法想象量子互聯網所有的潛在用途。
“當然，量子互聯網也不能完全替代經典互聯網。可以想象，即使在量子互聯網時代，網絡中應該也會存在經典的傳感器和計算模塊。”孫仕海說。
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