用量子打造“第二互聯網”

趙君鵬

雖說Wi-Fi人見人愛，但其實我們喜歡的不是Wi-Fi，而是它連接的互聯網。眾所周知，互聯網并不安全，密碼能擋住普通人，卻擋不住黑客和情報機構。

當前的互聯網是通過電信號、光纖、微波等傳輸信息，雖然方便高效，但信息很容易被竊取或截獲。不僅如此，隨著數學和算法的不斷發展，基于計算的復雜性，傳統加密技術不斷受到挑戰，互聯網基本上已經無險可守。

如何解決這一問題呢？正如調侃之語：“遇事不決，量子力學。”科學家將希望寄托于量子通信。

在量子力學中，幾個粒子在彼此相互作用后，各粒子所擁有的特性將表現為整體的性質，這就是“量子糾纏”。如果測量某一粒子的參數，就會不可避免地改變整體的狀態，所以無法精確地探測粒子的信息。受此啟發，從20世紀70年代，人們開始研究量子通信模式，利用粒子疊加態的特性來傳遞信息。孤立粒子的“自旋”方向可以向上或向下，就像編碼語言的0和1，也可以同時處于既向上又向下的狀態，正如薛定諤的貓可以既生又死一樣，人們利用粒子的這一特性來編寫計算機語言，研究“量子密匙分發”技術。這使得對量子體的任何一次測量都是對它的一次修改，所以任何窺探量子信息的行為都會留下痕跡，從而讓網絡通信的絕對安全成為可能。

時至21世紀，基于量子力學的通信系統，包括運用量子力學原理搭建互聯網，成為最重要的前沿技術之一。當前，一場全球競爭正在量子通信領域展開。

近年來，中國在量子通信領域取得的成就令人矚目。比如世界第一顆量子科學試驗衛星“墨子號”、世界第一條量子通信干線“京滬干線”等。中國科學院院士潘建偉曾表示，中國計劃用十五年左右的時間，構建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯網，即量子互聯網。

美國也奮勇爭先。2020年7月，美國宣布了“量子互聯網戰略藍圖”，又稱“第二互聯網”，計劃率先在下屬的17個國家實驗室建立量子網絡，然后逐漸將其應用到全國，其目標是建立一個運用量子糾纏或亞原子粒子并行傳輸的、更加安全的網絡，以彌補現行互聯網的不足。美國計劃在十年之內使用量子力學定律實現安全共享信息，連接新一代的計算機和傳感器。

量子互聯網的應用前景很廣，早期將它運用到銀行、醫療服務行業、飛機通信及國家安全領域，未來在地球物理、礦產勘探、醫學、導航、天文學等領域也能大顯身手。超靈敏量子傳感器網絡能用來監測地震活動，尋找地下的石油、天然氣及礦產資源，還可以應用于醫療和成像領域。利用量子糾纏同步時鐘，導航系統的精度可以提高到毫米級，量子網絡可以將相距數千千米的光學望遠鏡連接起來，其分辨率相當于一個同等直徑的單碟望遠鏡。

雖然量子互聯網的前景讓信息專家傾心不已，但是要想將它變為現實，還需要解決許多問題。比如，如何加速海量數據的交換，如何實現信息安全、計算機科學、應用物理等領域的技術高度配合，如何利用大自然在遠距離對象之間建立連接或使之產生糾纏，以及在沒有物理連接的狀態下實現信息的瞬間傳播等。

量子互聯網能否彌補現行互聯網的漏洞，它將怎樣實現遠距離無連接絕對安全高效地傳播信息，人們可以拭目以待。