科技行者量子互聯網正在崛起,實驗進展令人振奮

量子互聯網正在崛起,實驗進展令人振奮

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2019年6月26日 科技行者
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量子網絡的出現,將解決諸多互聯網安全問題。

來源:科技行者 2019年6月26日

關鍵字:量子計算 量子網絡 網絡安全

量子互聯網正在崛起,實驗進展令人振奮

今天的互聯網已經成為黑客們的游樂場。從不安全通信鏈接,到云端未得到充分保護的數據,安全漏洞可謂無處不在。但如果量子物理學家們能夠拿出自己的解決方案,那么這些弱點可能很快就會被逐一消滅。

通過構建起能夠全面體現量子特性的量子網絡,其中的信息以能夠反映量子世界奇特行為的方式進行創造、存儲與移動——這種奇異性,體現在「既死又活的小貓比喻當中,也體現在基本粒子的“遠程鬧鬼”現象之內」。這種飛躍,將讓我們從經典網絡的諸多限制中解脫出來。這類系統還能夠提供一定程度的隱私、安全與計算能力,而這是當今的互聯網所無法實現的。

雖然全面實現量子網絡仍是一種遙遠的愿景,但最近科學家們在量子信息的傳輸、存儲與操縱等方面確實迎來了突破,這也使得不少物理學們相信簡單的原理驗證方案即將出現。

從檢測可能導致光子變色的鉆石及晶體內空位,到利用無人機作為遠程“鬧鬼”節點,研究人員們正在利用量子科學探索中發現的奇異材料與技術融合出新的解決方案。不少人認為,這方面工作的第一階段,是利用標準光纖連接至少相距50至100公里的三個小型量子器件構建的量子網絡。

根據奧地利因斯布魯克量子光學與量子信息研究所的Ben Lanyon的說法,這樣一套網絡有望在未來五年之內建成。Lanyon的團隊是歐洲量子互聯網聯盟的成員,該聯盟由荷蘭代爾夫特理工大學的Stephanie Wehner負責協調。該團隊的任務,正是創建這樣一套量子網絡。在這領域,許多國家都有所行動,比如——2016年,中國發射了量子通信衛星墨子號;美國在去年12月頒布了《國家量子倡議法案》,計劃大力資助那些致力于量子技術探索的研究中心,包括量子計算機與量子網絡。代爾夫特大學的Ronald Hanson表示,“量子網絡的主要特征在于用戶發送的是量子信息,而非經典信息。”然而,量子信息使用量子比特或者說量子位,其狀態可能同時處于0和1的疊加態當中。此外,量子比特可以進行編碼,例如可被編碼至光子的偏振態或者電子與原子核的自旋態當中。

>>> 量子網絡

Hanson同時指出,“量子網絡幾乎已經唾手可得”,其中量子比特已經被用于創建密鑰(即由0與1組成的隨機字符串)并可用于編碼經典信息。這類應用程序,被稱為量子密鑰分發(QKD)方案。

QKD涉及的一方,例如Alice,向負責測量量子比特的Bob發送量子比特(Alice與Bob的例子最早出現在1978年關于公鑰加密的論文當中,目前這「二位」已經成為量子網絡中的經典節點表述)。只有在某些類型的測量當中,Bob才能獲得與Alice在量子比特內編碼內容相同的值。Alice與Bob可以比較公共頻道上的注釋以確定需要測量的內容,且無需共享實際量子比特值。在此之后,他們可以利用這些私有值創建秘密的共享密鑰以加密經典消息。最重要的是,如果入侵者攔截了量子比特,Alice與Bob就可以檢測到入侵活動,丟棄量子比特并重新開始——這個過程在理論上能夠不斷重復,直到確認無人在其量子信道上進行竊聽。

去年7月,瑞士日內瓦大學的Alberto Boaron及其同事報告稱,他們已經利用QKD在超過400公里的光纖記錄距離上分發密鑰,每秒速率為6.5千比特。相比之下,總部位于日內瓦的ID Quantique公司所銷售的商用系統則能夠為QKD提供超過50公里的光纖傳輸距離。

>>> 「ALICE與BOB」的難題

在理想情況下,量子網絡的實際能力遠不僅僅是QKD。研究的下一步是在各節點之間直接傳輸量子態。盡管使用光子極化編碼的量子比特可以通過光纖進行發送(QKD就采取這種方式),但使用這種量子比特進行大規模量子信息傳輸仍然面臨一大挑戰。光子可能在途中發生散射或被吸引,因此根本無法在探測器端被記錄下來,這表明傳輸通道并不可靠。幸運的是,我們還有另一種更為強大的量子信息交換方式——即利用量子系統的另一種屬性「糾纏」。

當兩個粒子或者量子系統相互作用時,它們就會糾纏在一起。當處于糾纏狀態時,兩個系統都由可由單一量子態進行描述,因此測量其中一個系統的狀態會立即對另一系統的狀態產生影響——即使二者相距數公里。愛因斯坦將這種糾纏稱為“遠程鬧鬼”,但這種性質同時也是量子網絡的寶貴資源。想象一下兩個網絡節點,Alice與Bob,每個節點由一些孤立的物質(用于編碼及存儲量子態的可靠基底)組成。這種“物質節點”可以通過涉及糾纏光子交換的過程彼此糾纏在一起。

利用糾纏物質節點,Alice可以利用她的糾纏共享向Bob發送一個完整的量子比特,但又無需傳輸真正存在的物理量子比特。這就讓傳輸過程變得萬無一失。其中的關鍵在于,一旦能夠在節點之間建立起糾纏,那么將量子比特從Alice處轉移至Bob處的協議將具有可靠性與確定性。

但要想實現量子比特的長距離傳輸,首先就要通過標準光纖網絡進行糾纏分配。今年1月,Lanyon在因斯布魯克的團隊就報告稱,他們創造了在超過50公里的光纖上實現物質與光糾纏的距離記錄。

在此次嘗試中,Lanyon的團隊采用了“被困離子”——即通過電磁場限制在光腔當中的鈣離子。當利用激光進行操縱時,該離子最終會被編碼為量子比特以作為兩種能態的疊加;同時,它還將發射光子,其量子比特以光子偏振態進行編碼。離子與光子各自的量子比特糾纏在一起,而研究人員的任務就是通過光纖發送此光子,同時始終保持這種糾纏狀態。

遺憾的是,被捕獲的離子會發射波長為854納米的光子,其在光纖內部不會持續很長時間。因此,Lanyon的團隊將發射出的光子送入所謂非線性晶體當中,并利用強大的激光進行泵送。整個相互作用會將入射光子轉換成另一種“遠距離通信”波長,而后者非常適合通過光纖進行傳輸。

在此之后,因斯布魯克團隊將這種光子注入一段50公里長的光纖。一旦光子抵達另一端,他們立即對離子與光子進行測試,觀察二者是否仍然糾纏在一起。好消息是——回答是肯定的。

>>> 糾纏交換

現在,Lanyon團隊希望更進一步,令兩個距離100公里的被困離子節點彼此糾纏。每個節點都會通過50公里的光纖將糾纏的光子傳輸至二者中間的臺站處。在這里,光子將接受測量,測量本身使得兩個光子與各自的離子失去糾纏,但同時又導致離子之間發生糾纏。結果就是,相距100公里的兩個節點將分別通過一對糾纏的量子比特形成量子鏈路。整個過程被稱為糾纏交換。雖然這套系統目前的效率相對較低,但Lanyon表示其足以成為未來更好、更快的交換系統的“良好起點”。

與此同時,來自代爾夫特的Hanson團隊還演示了如何利用遠距離通信波長光子對不同類型的物質節點進行糾纏。他們使用了一種被稱為氮空位(NV)中心的鉆石空位。當利用氮原子替換鉆石晶體結構中的碳原子時,在與氮原子相鄰的晶格處就會留下空位。該團隊利用激光操縱鉆石NV中心處一個“自由”電子開始旋轉,使得該電子處于自旋疊加狀態,從而進行量子比特編碼。在這一操縱過程中,研究人員會同時發射光子,而該光子同時處于兩個連續時隙之一的疊加狀態。Hanson解釋稱,“光子始終在那里,但發射時間則處于早期或晚期的疊加態。”當存儲在電子自旋中的量子比特以及存儲在光子當中的時隙內存在或不存在量子比特,就此完成糾纏。

2015年,代爾夫特團隊放置了兩個在空間上彼此分享的物質節點,分別由相距約1.3公里的鉆石NV中心組成,并通過光纖進行連接。在此之后,該團隊將每個節點的糾纏光子傳輸至兩個節點間路徑的大致中點位置。在中點處,團隊進行糾纏交換,使得兩個NV中心糾纏在一起。但正如Lanyon的實驗一樣,代爾夫特團隊的食品發出的光子波長為647納米。將該光子直接注入光纖時,其每行進1公里強度就會減弱一個數量級。Hanson表示,“這意味著最大傳輸距離不可能超過數公里。”

因此在今年5月,代爾夫特團隊報告了類似于因斯布魯克團隊的應對措施,他們同樣采用非線性晶體與激光將光子轉換為遠距離通信波長。利用這種方法,由NV中心及遠距離通信波長光子編碼的量子比特仍然糾纏在一起,這就為糾纏交換奠定了基礎。

雖然代爾夫特團隊還沒有通過任何較長的光纖通道傳輸鉆石糾纏遠距離通信波長光子,但Hanson堅信他們完全能夠實現這一點,最終將利用糾纏交換將相距30公里的兩個鉆石NV中心糾纏在一起。他解釋稱,“我們目前正在構建其中兩個節點。并將使用已經埋設在地下的玻璃纖維實現兩個NV中心的糾纏。”他們的下一個目標,是利用荷蘭三座城市之間已經存在的光纖基礎設施實現節點糾纏,這些城市間的距離特別適合此次實驗。

>>> 混合與匹配:未來的挑戰

可以看到,斯布魯克與代爾夫特兩支團隊只使用到一種物質進行量子比特的存儲與糾纏。但在現實生活中的量子網絡,很可能會在每個不同的節點當中使用不同類型的材料,具體取決于實際任務的確切要求——例如量子計算或者量子傳感。量子節點除了負責操縱量子比特之外,還可能需要在短時間內將這些量子比特存儲在所謂量子存儲器當中。

瑞士巴塞爾大學的Marcel.li Grimau Puigibert對此表示:“目前尚不清楚如何選擇正確的平臺與正確的協議。但能夠將彼此不同的混合系統連接起來總是好事。”

為此,Puigibert與卡爾加里大學的Wolfgang Tittel團隊開展合作,并于最近展示了如何讓存儲在兩種不同類型材料中的量子比特實現糾纏。他們首先通過光源發射出一對糾纏的光子,其中一個波長794納米,另一個為1535納米。794納米光子與摻雜有銩的鈮酸鋰晶體相互作用,使得光子狀態被存儲在晶體當中。1535納米光子則進入摻雜有餌的光纖,其存儲有同樣的量子態。

二者的存儲內容都是為了在特定時間重新發射光子而設計。該團隊分析了重新發射的光子,證明二者仍然糾纏在一起。反過來,這意味著量子存儲載體在光子發射之前就已經彼此糾纏,并隨著時間推移而始終保持糾纏狀態。

光子波長在設計上能夠交叉連接不同的傳輸系統:一端(1535納米)光纖與另一端(794納米)衛星通信。后者非常重要,因為如果量子網線條想實現洲際互連,那么必須通過衛星進行糾纏分配。2017年,由合肥中國科技大學潘建偉博士領導的團隊,利用中國量子衛星墨子號在青藏高原與中國西南地區的地面站之間實現了糾纏分配。

然而,衛星似乎注定不太適合量子網絡的實際需求。相比之下,接下來的最佳選擇有可能是成本相對低廉的無人機。今年5月,南京大學的朱世寧及其同事們發布報告,利用一臺重量為35千克的無人機將糾纏光子送到距離地面200米的兩個量子節點之上。該項實驗利用節點之間的經典通信鏈路確認其收到的光子確實糾纏在一起。此次實驗成功地改變了傳輸條件,能夠在白晝、黑夜甚至是下雨的情況下正常完成。作者們寫道,如果能夠將實驗中的無人機按比例放大并部署為高空無人機,那么地面節點與空中節點之間的距離可以延伸至大約300公里。

邁向成熟運作的量子網絡仍然充滿無窮挑戰,而可靠的量子存儲內容只是其中之一。另一個重要的挑戰,在于如何利用所謂量子中繼器將量子鏈路的范圍擴展至任意距離。量子態不像傳統信息那樣能夠簡單進行復制與反芻。量子節點將需要復雜的量子邏輯門,以確保在與環境相互作用的損失之后繼續保持糾纏態。Lanyon總結稱,“這絕對是接下來的重大挑戰之一。”

盡管如此,現有基本要素仍有望建立起一套連接至少三座城市的量子網絡,而未來也許最終能夠連接起整個世界。Hanson指出:“我們現在已經擁有了可以真正開始探索量子網絡的平臺。更復雜的網絡正在向我們招手。雖然無法保證,但如果能夠獲得成功,那么我們一定能帶來很酷的開發成果。”


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