從現(xiàn)在到2030年的某個(gè)時(shí)候，保護(hù)所有數(shù)字通信的數(shù)學(xué)系統(tǒng)可能會(huì)成為高級量子系統(tǒng)的犧牲品。為這一時(shí)刻做準(zhǔn)備，可能需要我們重新改造網(wǎng)絡(luò)本身。
正如我們今天所知，量子威脅將基本上摧毀網(wǎng)絡(luò)的安全，”布魯諾•赫特納(Bruno Huttner)宣稱，他是總部位于瑞士的ID Quantique公司日內(nèi)瓦量子戰(zhàn)略計(jì)劃的負(fù)責(zé)人。自世紀(jì)之交以來，沒有任何一個(gè)商業(yè)組織比它更直接地參與到未來量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)發(fā)展和工作理論中。
有一類理論涉及加密安全性。一旦量子計(jì)算機(jī)(QC)突破了目前由公鑰加密技術(shù)(PKC)控制的大壩，世界上的每一條加密信息都將受到攻擊。這就是赫特納的“量子威脅”。
“一個(gè)量子安全的解決方案，”他在10月底的歐洲量子技術(shù)2020大會(huì)上繼續(xù)說道，“可以有兩個(gè)非常不同的方面。一種是使用經(jīng)典的方法來解決量子威脅。另一種是用量子來對抗量子，而這正是我們在ID Quantique做的大部分時(shí)間。”
有一種被稱為后量子密碼學(xué)(PQC)的運(yùn)動(dòng)，一旦量子方法變得可靠，它將努力產(chǎn)生更健壯的經(jīng)典方法來確保加密通信的安全。Huttner采用的另一種方法是通過量子方法對所有通信進(jìn)行加密。
量子密鑰分配(QKD)涉及到由QC生成一個(gè)加密密鑰，用于通過量子信息網(wǎng)絡(luò)(QIN)發(fā)送消息。
按照我們今天的想法，將QIN與電子互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，在物理上是不可能的。直到最近，能否創(chuàng)造出一種機(jī)制來在這兩個(gè)系統(tǒng)之間交換有用的信息一直是一個(gè)懸而未決的問題，無論它變得多么奇妙或復(fù)雜。在物理學(xué)層面上，這兩個(gè)系統(tǒng)處于不同的存在層面。
量子互聯(lián)網(wǎng)能連接非量子計(jì)算機(jī)嗎?
然而，在IQT歐洲(IQT Europe)，人們看到了希望。
軌道衛(wèi)星組件制造商泰利斯阿萊尼亞空間公司負(fù)責(zé)電信和導(dǎo)航系統(tǒng)研究的馬西亞斯·范登·博舍說:“我不明白為什么需要量子計(jì)算機(jī)來運(yùn)營量子信息網(wǎng)絡(luò)。”基本上任務(wù)會(huì)相當(dāng)簡單。”
Van Den Bossche在IQT歐洲的一次演講中所暗示的含義，在今天可能還不是不言自明的，盡管它們肯定會(huì)在歷史的進(jìn)程中發(fā)生。量子信息網(wǎng)絡(luò)(QIN)是一個(gè)理論概念，使成對的量子計(jì)算機(jī)(QC)相互纏繞，就像它們在物理上連接在一起一樣。QIN連接的產(chǎn)品與其說是兩個(gè)處理器的接口，不如說是兩個(gè)系統(tǒng)的綁定，其結(jié)果的計(jì)算極限將是兩個(gè)系統(tǒng)量子成分(即量子位)總和的2次方。這是可行的，只要我們的運(yùn)氣能像我們目前所做的那樣利用量子力學(xué)，繼續(xù)對我們有利。
Van Den Bossche的推測并不是要暗示量子網(wǎng)絡(luò)可以用同樣的方式將傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)捆綁在一起——例如，給任何兩臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)提供相當(dāng)于其字節(jié)總和的2次方的組合內(nèi)存。量子網(wǎng)絡(luò)只適用于量子計(jì)算機(jī)。但如果他是正確的，那么將一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)連接到QC的內(nèi)存系統(tǒng)，并在這樣的系統(tǒng)上傳輸大量數(shù)據(jù)的問題，就可以在不增加量子組件的情況下解決，否則將使每個(gè)連接的QC更加不穩(wěn)定。
“最終，在未來，我們希望讓每個(gè)人都能使用量子網(wǎng)絡(luò)，”荷蘭代爾夫特大學(xué)的斯蒂芬妮·溫納教授說，她在荷蘭的私人/學(xué)術(shù)合作機(jī)構(gòu)QuTech領(lǐng)導(dǎo)量子互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。“這意味著最終能夠在地球上任何地方的本地量子處理器之間實(shí)現(xiàn)量子通信。”
量子互聯(lián)網(wǎng)的主要用途，或許是永久的，將是使QKD能夠保護(hù)所有的通信。量子加密的信息是由物理而不是數(shù)學(xué)保護(hù)的，所以它不是什么可以被“黑客”攻擊的東西。Wehner教授預(yù)測，QKD將適用于公共云上的每一筆交易。
“在這里,你應(yīng)該想象你有一個(gè)非常簡單的量子裝置——量子終端,如果您愿意,”她解釋說,“和你使用量子互聯(lián)網(wǎng)訪問遠(yuǎn)程量子計(jì)算機(jī)在云中,(所以)可以執(zhí)行,例如,一個(gè)模擬的專用材料,這樣云托管提供商的量子計(jì)算機(jī)無法找到你的材料設(shè)計(jì)實(shí)際上是什么。”
云服務(wù)器的任何部分都不能干擾模擬而不破壞它——在量子詞典中，導(dǎo)致它被解碼。這可能會(huì)稍微干擾您的工作，但它不會(huì)給云上的惡意參與者任何有用的東西。
創(chuàng)建量子互聯(lián)網(wǎng)的障礙
量子傳感器，其作用類似于電子網(wǎng)絡(luò)中的中繼器。(出于這個(gè)原因，你可能會(huì)聽到“量子中繼器”這個(gè)詞，盡管物理學(xué)家說這是用詞不當(dāng)。)芝加哥大學(xué)的David Awschalom教授，同時(shí)也是芝加哥量子交換中心的主任，問IQT歐洲的與會(huì)者，“如何在量子領(lǐng)域有效地將光轉(zhuǎn)換為物質(zhì)，以及如何建立量子中繼器?”當(dāng)兩個(gè)量子位元通過光纖連接在一起時(shí)，它們可以共享奇妙的糾纏特性，但只能在有限的距離內(nèi)。據(jù)Awschalom教授介紹，這種傳感器可以處理有效傳遞纏結(jié)所需要的奇怪狀態(tài)交換，就像一個(gè)bucket brigade，使QIN被鎖住。
單個(gè)光子發(fā)射量子位元，或者稱為“更好的量子位元”，將使QIN耦合經(jīng)典設(shè)備的維護(hù)更加確定和易于管理。光子是量子網(wǎng)絡(luò)的信號。量子存儲(chǔ)系統(tǒng)將需要高頻率和令人心跳停止的高帶寬，這可能只有當(dāng)光子源可以被精確地觀察和維持時(shí)才可行。
至少在目前，量子存儲(chǔ)系統(tǒng)(見上文)是理想的設(shè)想。目前，一個(gè)高量子位的QC計(jì)算單元作為它自己的內(nèi)存，而一個(gè)53量子位的節(jié)點(diǎn)可以存儲(chǔ)多達(dá)253位(大約281.5 tb)的數(shù)據(jù)，這似乎足夠了，只是它完全是易失性的。當(dāng)一個(gè)計(jì)算完成時(shí)，它可能會(huì)完全解碼，因此需要某種類型的穩(wěn)定內(nèi)存系統(tǒng)來維護(hù)，比如數(shù)據(jù)庫。這可能是最高的等級了。
可用的纖維。5G無線部署的努力可能會(huì)在這方面有所幫助，為光子網(wǎng)絡(luò)的連接開辟了道路。東芝研究中心和劍橋大學(xué)最近進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，電信公司的光纖網(wǎng)絡(luò)對于量子通信來說是足夠可靠的，在那些還沒有鋪設(shè)暗光纖的地方。
激光。這里是討論中被遺忘的元素。我們說的不是從尚未制造的藍(lán)光播放器中回收的激光設(shè)備，而是Awschalom對它們的描述:“快速、高功率、毫瓦級泵浦激光器，可以產(chǎn)生高帶寬的光學(xué)光子，與這些存儲(chǔ)器的波長相匹配。”
量子計(jì)算“生態(tài)系統(tǒng)”目前的規(guī)模和廣度(如果我們可以這樣稱呼的話)可能還沒有要求投入數(shù)十億美元或歐元來建立該行業(yè)所需的所有新基礎(chǔ)設(shè)施。但在它到來之前，我們可能會(huì)遇到Huttner教授所說的觀點(diǎn)，那時(shí)量子威脅比量子慷慨更迫在眉睫。然后，或許突然之間，投資就會(huì)大舉涌入。
