科技行者量子互联网正在崛起,实验进展令人振奋

量子互联网正在崛起,实验进展令人振奋

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2019年6月26日 科技行者
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量子网络的出现,将解决诸多互联网安全问题。

来源:科技行者 2019年6月26日

关键字:量子计算 量子网络 网络安全

量子互联网正在崛起,实验进展令人振奋

今天的互联网已经成为黑客们的游乐场。从不安全通信链接,到云端未得到充分保护的数据,安全漏洞可谓无处不在。但如果量子物理学家们能够拿出自己的解决方案,那么这些弱点可能很快就会被逐一消灭。

通过构建起能够全面体现量子特性的量子网络,其中的信息以能够反映量子世界奇特行为的方式进行创造、存储与移动——这种奇异性,体现在「既死又活的小猫比喻当中,也体现在基本粒子的“远程闹鬼”现象之内」。这种飞跃,将让我们从经典网络的诸多限制中解脱出来。这类系统还能够提供一定程度的隐私、安全与计算能力,而这是当今的互联网所无法实现的。

虽然全面实现量子网络仍是一种遥远的愿景,但最近科学家们在量子信息的传输、存储与操纵等方面确实迎来了突破,这也使得不少物理学们相信简单的原理验证方案即将出现。

从检测可能导致光子变色的钻石及晶体内空位,到利用无人机作为远程“闹鬼”节点,研究人员们正在利用量子科学探索中发现的奇异材料与技术融合出新的解决方案。不少人认为,这方面工作的第一阶段,是利用标准光纤连接至少相距50至100公里的三个小型量子器件构建的量子网络。

根据奥地利因斯布鲁克量子光学与量子信息研究所的Ben Lanyon的说法,这样一套网络有望在未来五年之内建成。Lanyon的团队是欧洲量子互联网联盟的成员,该联盟由荷兰代尔夫特理工大学的Stephanie Wehner负责协调。该团队的任务,正是创建这样一套量子网络。在这领域,许多国家都有所行动,比如——2016年,中国发射了量子通信卫星墨子号;美国在去年12月颁布了《国家量子倡议法案》,计划大力资助那些致力于量子技术探索的研究中心,包括量子计算机与量子网络。代尔夫特大学的Ronald Hanson表示,“量子网络的主要特征在于用户发送的是量子信息,而非经典信息。”然而,量子信息使用量子比特或者说量子位,其状态可能同时处于0和1的叠加态当中。此外,量子比特可以进行编码,例如可被编码至光子的偏振态或者电子与原子核的自旋态当中。

>>> 量子网络

Hanson同时指出,“量子网络几乎已经唾手可得”,其中量子比特已经被用于创建密钥(即由0与1组成的随机字符串)并可用于编码经典信息。这类应用程序,被称为量子密钥分发(QKD)方案。

QKD涉及的一方,例如Alice,向负责测量量子比特的Bob发送量子比特(Alice与Bob的例子最早出现在1978年关于公钥加密的论文当中,目前这「二位」已经成为量子网络中的经典节点表述)。只有在某些类型的测量当中,Bob才能获得与Alice在量子比特内编码内容相同的值。Alice与Bob可以比较公共频道上的注释以确定需要测量的内容,且无需共享实际量子比特值。在此之后,他们可以利用这些私有值创建秘密的共享密钥以加密经典消息。最重要的是,如果入侵者拦截了量子比特,Alice与Bob就可以检测到入侵活动,丢弃量子比特并重新开始——这个过程在理论上能够不断重复,直到确认无人在其量子信道上进行窃听。

去年7月,瑞士日内瓦大学的Alberto Boaron及其同事报告称,他们已经利用QKD在超过400公里的光纤记录距离上分发密钥,每秒速率为6.5千比特。相比之下,总部位于日内瓦的ID Quantique公司所销售的商用系统则能够为QKD提供超过50公里的光纤传输距离。

>>> 「ALICE与BOB」的难题

在理想情况下,量子网络的实际能力远不仅仅是QKD。研究的下一步是在各节点之间直接传输量子态。尽管使用光子极化编码的量子比特可以通过光纤进行发送(QKD就采取这种方式),但使用这种量子比特进行大规模量子信息传输仍然面临一大挑战。光子可能在途中发生散射或被吸引,因此根本无法在探测器端被记录下来,这表明传输通道并不可靠。幸运的是,我们还有另一种更为强大的量子信息交换方式——即利用量子系统的另一种属性「纠缠」。

当两个粒子或者量子系统相互作用时,它们就会纠缠在一起。当处于纠缠状态时,两个系统都由可由单一量子态进行描述,因此测量其中一个系统的状态会立即对另一系统的状态产生影响——即使二者相距数公里。爱因斯坦将这种纠缠称为“远程闹鬼”,但这种性质同时也是量子网络的宝贵资源。想象一下两个网络节点,Alice与Bob,每个节点由一些孤立的物质(用于编码及存储量子态的可靠基底)组成。这种“物质节点”可以通过涉及纠缠光子交换的过程彼此纠缠在一起。

利用纠缠物质节点,Alice可以利用她的纠缠共享向Bob发送一个完整的量子比特,但又无需传输真正存在的物理量子比特。这就让传输过程变得万无一失。其中的关键在于,一旦能够在节点之间建立起纠缠,那么将量子比特从Alice处转移至Bob处的协议将具有可靠性与确定性。

但要想实现量子比特的长距离传输,首先就要通过标准光纤网络进行纠缠分配。今年1月,Lanyon在因斯布鲁克的团队就报告称,他们创造了在超过50公里的光纤上实现物质与光纠缠的距离记录。

在此次尝试中,Lanyon的团队采用了“被困离子”——即通过电磁场限制在光腔当中的钙离子。当利用激光进行操纵时,该离子最终会被编码为量子比特以作为两种能态的叠加;同时,它还将发射光子,其量子比特以光子偏振态进行编码。离子与光子各自的量子比特纠缠在一起,而研究人员的任务就是通过光纤发送此光子,同时始终保持这种纠缠状态。

遗憾的是,被捕获的离子会发射波长为854纳米的光子,其在光纤内部不会持续很长时间。因此,Lanyon的团队将发射出的光子送入所谓非线性晶体当中,并利用强大的激光进行泵送。整个相互作用会将入射光子转换成另一种“远距离通信”波长,而后者非常适合通过光纤进行传输。

在此之后,因斯布鲁克团队将这种光子注入一段50公里长的光纤。一旦光子抵达另一端,他们立即对离子与光子进行测试,观察二者是否仍然纠缠在一起。好消息是——回答是肯定的。

>>> 纠缠交换

现在,Lanyon团队希望更进一步,令两个距离100公里的被困离子节点彼此纠缠。每个节点都会通过50公里的光纤将纠缠的光子传输至二者中间的台站处。在这里,光子将接受测量,测量本身使得两个光子与各自的离子失去纠缠,但同时又导致离子之间发生纠缠。结果就是,相距100公里的两个节点将分别通过一对纠缠的量子比特形成量子链路。整个过程被称为纠缠交换。虽然这套系统目前的效率相对较低,但Lanyon表示其足以成为未来更好、更快的交换系统的“良好起点”。

与此同时,来自代尔夫特的Hanson团队还演示了如何利用远距离通信波长光子对不同类型的物质节点进行纠缠。他们使用了一种被称为氮空位(NV)中心的钻石空位。当利用氮原子替换钻石晶体结构中的碳原子时,在与氮原子相邻的晶格处就会留下空位。该团队利用激光操纵钻石NV中心处一个“自由”电子开始旋转,使得该电子处于自旋叠加状态,从而进行量子比特编码。在这一操纵过程中,研究人员会同时发射光子,而该光子同时处于两个连续时隙之一的叠加状态。Hanson解释称,“光子始终在那里,但发射时间则处于早期或晚期的叠加态。”当存储在电子自旋中的量子比特以及存储在光子当中的时隙内存在或不存在量子比特,就此完成纠缠。

2015年,代尔夫特团队放置了两个在空间上彼此分享的物质节点,分别由相距约1.3公里的钻石NV中心组成,并通过光纤进行连接。在此之后,该团队将每个节点的纠缠光子传输至两个节点间路径的大致中点位置。在中点处,团队进行纠缠交换,使得两个NV中心纠缠在一起。但正如Lanyon的实验一样,代尔夫特团队的食品发出的光子波长为647纳米。将该光子直接注入光纤时,其每行进1公里强度就会减弱一个数量级。Hanson表示,“这意味着最大传输距离不可能超过数公里。”

因此在今年5月,代尔夫特团队报告了类似于因斯布鲁克团队的应对措施,他们同样采用非线性晶体与激光将光子转换为远距离通信波长。利用这种方法,由NV中心及远距离通信波长光子编码的量子比特仍然纠缠在一起,这就为纠缠交换奠定了基础。

虽然代尔夫特团队还没有通过任何较长的光纤通道传输钻石纠缠远距离通信波长光子,但Hanson坚信他们完全能够实现这一点,最终将利用纠缠交换将相距30公里的两个钻石NV中心纠缠在一起。他解释称,“我们目前正在构建其中两个节点。并将使用已经埋设在地下的玻璃纤维实现两个NV中心的纠缠。”他们的下一个目标,是利用荷兰三座城市之间已经存在的光纤基础设施实现节点纠缠,这些城市间的距离特别适合此次实验。

>>> 混合与匹配:未来的挑战

可以看到,斯布鲁克与代尔夫特两支团队只使用到一种物质进行量子比特的存储与纠缠。但在现实生活中的量子网络,很可能会在每个不同的节点当中使用不同类型的材料,具体取决于实际任务的确切要求——例如量子计算或者量子传感。量子节点除了负责操纵量子比特之外,还可能需要在短时间内将这些量子比特存储在所谓量子存储器当中。

瑞士巴塞尔大学的Marcel.li Grimau Puigibert对此表示:“目前尚不清楚如何选择正确的平台与正确的协议。但能够将彼此不同的混合系统连接起来总是好事。”

为此,Puigibert与卡尔加里大学的Wolfgang Tittel团队开展合作,并于最近展示了如何让存储在两种不同类型材料中的量子比特实现纠缠。他们首先通过光源发射出一对纠缠的光子,其中一个波长794纳米,另一个为1535纳米。794纳米光子与掺杂有铥的铌酸锂晶体相互作用,使得光子状态被存储在晶体当中。1535纳米光子则进入掺杂有饵的光纤,其存储有同样的量子态。

二者的存储内容都是为了在特定时间重新发射光子而设计。该团队分析了重新发射的光子,证明二者仍然纠缠在一起。反过来,这意味着量子存储载体在光子发射之前就已经彼此纠缠,并随着时间推移而始终保持纠缠状态。

光子波长在设计上能够交叉连接不同的传输系统:一端(1535纳米)光纤与另一端(794纳米)卫星通信。后者非常重要,因为如果量子网线条想实现洲际互连,那么必须通过卫星进行纠缠分配。2017年,由合肥中国科技大学潘建伟博士领导的团队,利用中国量子卫星墨子号在青藏高原与中国西南地区的地面站之间实现了纠缠分配。

然而,卫星似乎注定不太适合量子网络的实际需求。相比之下,接下来的最佳选择有可能是成本相对低廉的无人机。今年5月,南京大学的朱世宁及其同事们发布报告,利用一台重量为35千克的无人机将纠缠光子送到距离地面200米的两个量子节点之上。该项实验利用节点之间的经典通信链路确认其收到的光子确实纠缠在一起。此次实验成功地改变了传输条件,能够在白昼、黑夜甚至是下雨的情况下正常完成。作者们写道,如果能够将实验中的无人机按比例放大并部署为高空无人机,那么地面节点与空中节点之间的距离可以延伸至大约300公里。

迈向成熟运作的量子网络仍然充满无穷挑战,而可靠的量子存储内容只是其中之一。另一个重要的挑战,在于如何利用所谓量子中继器将量子链路的范围扩展至任意距离。量子态不像传统信息那样能够简单进行复制与反刍。量子节点将需要复杂的量子逻辑门,以确保在与环境相互作用的损失之后继续保持纠缠态。Lanyon总结称,“这绝对是接下来的重大挑战之一。”

尽管如此,现有基本要素仍有望建立起一套连接至少三座城市的量子网络,而未来也许最终能够连接起整个世界。Hanson指出:“我们现在已经拥有了可以真正开始探索量子网络的平台。更复杂的网络正在向我们招手。虽然无法保证,但如果能够获得成功,那么我们一定能带来很酷的开发成果。”