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。