用量子打造“第二互联网”

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  虽说Wi-Fi人见人爱,但其实我们喜欢的不是Wi-Fi,而是它连接的互联网。众所周知,互联网并不安全,密码能挡住普通人,却挡不住黑客和情报机构。
  当前的互联网是通过电信号、光纤、微波等传输信息,虽然方便高效,但信息很容易被窃取或截获。不仅如此,随着数学和算法的不断发展,基于计算的复杂性,传统加密技术不断受到挑战,互联网基本上已经无险可守。
  如何解决这一问题呢?正如调侃之语:“遇事不决,量子力学。”科学家将希望寄托于量子通信。
  在量子力学中,几个粒子在彼此相互作用后,各粒子所拥有的特性将表现为整体的性质,这就是“量子纠缠”。如果测量某一粒子的参数,就会不可避免地改变整体的状态,所以无法精确地探测粒子的信息。受此启发,从20世纪70年代,人们开始研究量子通信模式,利用粒子叠加态的特性来传递信息。孤立粒子的“自旋”方向可以向上或向下,就像编码语言的0和1,也可以同时处于既向上又向下的状态,正如薛定谔的猫可以既生又死一样,人们利用粒子的这一特性来编写计算机语言,研究“量子密匙分发”技术。这使得对量子体的任何一次测量都是对它的一次修改,所以任何窥探量子信息的行为都会留下痕迹,从而让网络通信的绝对安全成为可能。
  时至21世纪,基于量子力学的通信系统,包括运用量子力学原理搭建互联网,成为最重要的前沿技术之一。当前,一场全球竞争正在量子通信领域展开。
  近年来,中国在量子通信领域取得的成就令人瞩目。比如世界第一颗量子科学试验卫星“墨子号”、世界第一条量子通信干线“京沪干线”等。中国科学院院士潘建伟曾表示,中国计划用十五年左右的时间,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。
  美国也奋勇争先。2020年7月,美国宣布了“量子互联网战略蓝图”,又称“第二互联网”,计划率先在下属的17个国家实验室建立量子网络,然后逐渐将其应用到全国,其目标是建立一个运用量子纠缠或亚原子粒子并行传输的、更加安全的网络,以弥补现行互联网的不足。美国计划在十年之内使用量子力学定律实现安全共享信息,连接新一代的计算机和传感器。
  量子互联网的应用前景很广,早期将它运用到银行、医疗服务行业、飞机通信及国家安全领域,未来在地球物理、矿产勘探、医学、导航、天文学等领域也能大显身手。超靈敏量子传感器网络能用来监测地震活动,寻找地下的石油、天然气及矿产资源,还可以应用于医疗和成像领域。利用量子纠缠同步时钟,导航系统的精度可以提高到毫米级,量子网络可以将相距数千千米的光学望远镜连接起来,其分辨率相当于一个同等直径的单碟望远镜。
  虽然量子互联网的前景让信息专家倾心不已,但是要想将它变为现实,还需要解决许多问题。比如,如何加速海量数据的交换,如何实现信息安全、计算机科学、应用物理等领域的技术高度配合,如何利用大自然在远距离对象之间建立连接或使之产生纠缠,以及在没有物理连接的状态下实现信息的瞬间传播等。
  量子互联网能否弥补现行互联网的漏洞,它将怎样实现远距离无连接绝对安全高效地传播信息,人们可以拭目以待。
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