量子互联网究竟是怎么回事

原标题:量子互联网究竟是怎么回事

7 23 日,美国能源部公布了一份报告,该报告的标题是:全国协力建设量子网络,引领通信新时代。中文媒体对此事的报道有失偏颇,在认真仔细地阅读该报告原文后,我把自己的一些体会分享如下[1]

从这份被称为美国量子通信发展战略蓝图的报告中可以清楚看出,在量子通信领域,美国将立足于量子互联网,以基础科学研究为引导。而中国则是倾力于量子密钥分发技术QKD ),主要在做QKD 的工程化、产业化。中美两国在量子通信领域基本上是各做各的,根本不处在同一层次上,就像桔子与苹果,没有什么可比性。

为了发展量子通信,美国的思维是从基础设施做起,建起量子互联网,将用户、量子计算机、量子传感器等节点连为一体,为量子信息的产生、传输、和共享提供基本保证。在量子互联网的基础上,可以开发量子通信的各种应用,这当然也可以包括QKD ,如果真有这个需要的话。

这好比要在深山老林里建设市镇,美国的做法是先着手三通一平,搞得焦头烂额不见楼起来;中国是不管三七二十一先把楼房建起来,结果是路不通电不来,没人居住成了鬼城。两种做法很可能最后是殊途同归,都是赔本赚吆喝,这其实也就是量子通信目前的现状。

在未来相当一段时期中,中美两国在量子通信领域的努力都难有实质性的成效,如果非要做比较的话,美方的做法有以下两个方面可以借鉴。

首先,美国在下面十年中主要是做基础性科学研究,他们想要对付的是诸如量子中继、量子比特存贮和量子通信协议等一系列拦路虎。在我看来这些规划有点好高骛远、不切实际,但是作为基础性研究也未尝不可。至少也可以多培养一些量子通信方面的人才,否则真的会队伍不好带了。其实这才是所谓的美国举全国之力发展量子通信的根本原因[2]。

其次,美国着力于量子互联网,真正的目的还是联接量子计算机,与量子保密通信没什么关系,QKD 最多也是水到渠成后的一个副产品。有了量子互联网,可以把分散在各处的量子计算机资源有机地组合起来发挥更大的潜能,同时也可让人们更方便地使用量子计算机[3] 。量子互联网是量子信息技术的龙头,它可以把量子计算机、量子通信和量子传感有机地结合起来,牵一发而动全身,抓住量子互联网便可纲举目张。

美国两眼始终盯着量子计算机而不是量子保密通信,原因可归纳为以下几个方面。

· 量子计算机有广泛的应用前景,某些应用可能具有划时代的意义;

· 量子计算机已经有了些阶段性成果,即使造出小规模量子处理器也会有特殊应用;

· 量子保密通信没有迫切的需求,公钥密码是足够安全的,抗量子公钥密码已接近成熟,QKD 的实用意义无论在广度和深度上都差量子计算机远矣;

· 最主要的是,量子保密通信网络中的关键设备其实就是量子计算机,或者更正确地说是特种的量子处理器,量子计算机关键技术不突破,量子保密通信必定行不稳走不远。

所以从某种角度来看,美国的量子互联网规划其实就是对量子密钥分发技术的否定,或者至少就是一种轻视和怠慢。只要稍微有些基本常识,不带有色眼镜看问题,都不难得出这个结论。中国量子通信推动者以为可以借美国量子互联网规划捞根救命稻草,结果是当头挨了一记实锤!

前几天,关于美国能源部的报告有人发了个评论,还给评论加了这样一个导读:民科们反量子通信的常见理由之一,就是美国不搞这个,可见它没有用处。现在美国明确要用国家力量来搞了,这些人要不要说美国政府也被骗了,美国搞量子通信的是骗子呢?

这位科普网红不知所云,他的评论“Not even wrong” 。他对量子互联网和QKD 的基本概念都没有弄明白,对科学研究和工程化的区别视而不见。

目前国内的学术界有一个非常错误的倾向,有些人对批评质疑者首先就是挥舞两根大棒,一是给批评者戴上民科的帽子,二是反责批评者的动机,这不是讨论学问应该有的样子。

物理实验室的书生偏要跨界在通信密码工程界指点江山,这比施一公教授到工厂指导生产中成药还要离谱,谁才是真正的外行和民科,相信公理自在人心。工程界人士不喜欢给人戴民科的帽子,他们创造了一个术语:跨界打劫,我觉得这个新词颇为传神。

下面对量子互联网和QKD 再作些科普。

量子互联网可以理解为支撑量子通信的一种新型功能网络,它不是、也不可能替代传统的互联网,而是传统互联网功能的延伸和补充。在传统互联网上传输的是由电信号承载的传统比特(bit) ,量子互联网传输的则是由量子态承载的量子比特(Qbit)

人们以为互联网就是各种光纤、电缆和天线的组合,其实是大错特错了,支撑起互联网的功臣是路由器、交换机、服务器和TCP/IP 通信协议,是它们的大力协作才能使传统比特信息高速、准确和有序地传达四方。

同理,量子互联网的关键设备就是量子路由器、量子交换机和量子通信协议。但是由于量子态与传统电信号完全不一样,我们以往设计制造互联网设备的知识和经验基本上都没有用处,真是老革命碰到了新问题。发展量子子互联网对人类在原子尺度上精确操纵物质的能力提出了极高要求,很多关键技术瓶颈尚待突破。毫不夸张的说,量子互联网难,难于上青天!

从原理层面来看,所有传统互联网上的网络设备其实就是特种形式的电子计算机,同样,量子互联网的设备必定就是特种形式的量子计算机。没有量子计算机技术的突破,量子互联网和量子通信只能是镜中花水中月。所以优先发展量子计算机是唯一正确的决策。传统互联网就成形于计算机技术的成熟之后,历史的经验值得重视。

中国的量子通信根本就不是一种新的通信技术,在京沪量子通信干线上,北京客户想向上海的朋友送一个“Hello” 都办不到。中国的量子通信其实只是量子密钥分发(QKD) ,就是用量子力学原理为端到端的两个用户协商出一个隨机数,用作对称密码算法的密钥。

京沪量子保密通信干线不是量子互联网的一条干线。因为光子在光纤中传播时必定有衰减,单个光子是无法从北京全程传递到上海,而带有量子比特信息的光子又不能用传统放大器为其接力加油。百般无奈之下只能在北京至上海的一路上建立30 多个可信中继站,中继站之间的距离大约60 多公里,光子每到一个中继站就结束了它的使命,把承载的量子比特转换成传统比特,然后可以依靠传统电子设备作后续处理。

由此可知,京沪量子保密通信干线没有办法让量子比特从北京直接送到上海,这让我想起了五六十年代的京沪铁路。在没有南京长江大挢的岁月里,北京到上海的火车必须在南京浦口停下来,被拆成一段段装在船上摆渡过长江,又慢又不安全。严格来说当时的京沪铁路只能算是用摆渡船连接起来的两段铁路的代名词。同理,京沪量子保密通信干线其实也就是30 多段量子保密线段的堆砌物,把它当作量子互联网的一条支线都是不合格的。请记住,To date no quantum Internet exists. 这个结论来自美国能源部的报告。

目前量子保密通信QKD 诸多技术困境中最主要的是无法与互联网兼容可信中继站的安全隐患,这二个严重的问题其实都因为没有量子互联网的基础设施造成的。QKD 应该是量子互联网的一种应用,运行在量子互联网上的QKD 就可以彻底摆脱可信中继站的恶梦,它也才有了为传统互联网服务的可能。

QKD 只是量子互联网上的一种应用,没有量子互联网的基础设施,包括QKD 等所有量子通信应用都是浮云。没有量子互联网时,同时开展有关QKD 的研究当然也可以,但直接上QKD 工程就悲剧了。请设想一下,没有现在的互联网,依靠电话座机和传真机马化腾有那个本事推出微信来吗?但是这样浅显的道理某些物理学家偏不懂,他们一定要把马车放在马前边,而且还不让人质疑,真的让人无语。

总之,在量子通信领域,美国做的是关于量子互联网的基础科学研究,前途未卜;中国做的是量子密钥分发的工程化、产业化,目前已经陷入困境。

[2] the centers will focus on training and education toensure the United States has a quantum-ready workforce.

[3] NSF Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid QuantumArchitectures and Networks at University of Illinois at Urbana-Champaign. Thisinstitute will build interconnected networks of small-scale quantum processorsand test their functionality for practical applications.返回搜狐,查看更多

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