量子互联网已经到达(还没有)

在她成为理论物理学家,斯蒂芬妮韦娜是个黑客。像大多数人一样在舞台上,她从小教。15岁,她在第一次拨号调制解调器,花光了自己的积蓄在她父母的家在德国维尔茨堡。20,她得到了足够的街头信誉得到一份工作在阿姆斯特丹,荷兰在互联网服务提供商开始的黑客。

在工作几年后,作为一个网络安全专家,韦娜去大学。在那里,她知道,量子力学提供了一些,今天的网络非常缺乏,潜在的unhackable通信。现在,她把她的旧痴迷走向一个新的愿望。她想要重塑互联网。

量子粒子的能力生活在未定义的状态——就像薛定谔的猫,活着的和死去的,已使用多年,以提高数据加密。但韦娜,现在在荷兰代尔夫特理工大学和其他研究人员认为,他们可以利用量子力学做得更多,通过利用大自然的神秘联系的能力,或缠绕,远处的物体,以及它们之间传送信息。起初,这一切听起来非常理论化,韦娜说。现在,“有希望实现它”。

支持者认为这样的量子网络可以打开一个应用程序的整个宇宙与经典通信,不可能包括量子计算机连接在一起;建筑ultra-sharp使用相隔天文台望远镜;甚至建立引力波探测的新方法。一些人认为这是有一天取代互联网目前的形式。“我个人的观点,在未来,大多数——如果不是全部的话——通信将量子,“维也纳大学物理学家安东齐林格说,领导的第一个实验在量子隐形传态¹在1997年,。

代尔夫特的一个小组已经开始建立第一个真正的量子网络,这将在荷兰链接四个城市。这个项目,将于2020年完工,阿帕网的量子版本,通信网络由美国军方在1960年代末,为今天的互联网铺平了道路。

韦娜,参与努力,也是协调一个欧洲大型项目,称为量子网络联盟,旨在扩大荷兰大陆规模实验。作为这一进程的一部分,她和其他人试图将计算机科学家,工程师和网络安全专家一起帮助设计未来量子网络。

许多技术细节仍然需要解决,和一些研究人员警告说,过早地说多少量子互联网可能会交付。但通过思考安全早期,韦娜说她希望避免漏洞,互联网从阿帕网继承。“也许我们有机会从一开始就这么做。”

量子密钥

第一个提议量子通信模式可以追溯到1970年代。哥伦比亚大学的斯蒂芬•威斯纳,一个年轻的物理学家在纽约,看到潜在的量子力学的最基本原则之一:是不可能衡量一个系统在不改变它的属性。

维斯纳建议信息可以编码在美国等对象的孤立的原子,其“旋转”可以向上或向下——就像经典的0和1位,但同时也可以在这两个州。这样的单位现在通常被称为量子比特的量子信息,或量子位。据指出,因为一个量子位的属性不能被测量而不改变它的状态,也不可能做出确切的副本或“克隆”²。否则,有人能提取原始量子位的状态信息,而不影响它,只需测量其克隆。这项禁令后来称为量子no-cloning,结果为安全是一个福音,因为黑客无法提取量子信息又不留一丝痕迹。

灵感来自威斯纳,1984年,查尔斯·班尼特,一个计算机科学家在IBM在约克镇高地,纽约和他的合作者Gilles臂章,在加拿大蒙特利尔大学,想出了一个巧妙的计划,两个用户可以生成一个牢不可破的加密密钥,只有他们知道³。该计划取决于光可以被极化,因此电磁波振荡在水平或垂直平面。一个用户将随机序列的1和0到一个量子密钥编码这两个偏振状态并将其发送流到另一个人。在一系列的步骤中,接收者措施的关键,建立传输不被窃听者的测量。自信在安全的关键,双方可以争夺任何消息由经典比特——一个图像,例如,发送它就像任何其他加密消息在传统互联网,或任何其他频道。

1989年,班尼特领导的团队首先证明这个量子密钥分发(QKD)实验⁴。今天,QKD商用设备,使用类似的方案,通常卖给金融或政府组织。例如,ID Quantique公司成立于2001年在日内瓦,瑞士,建造了一个量子链接保护瑞士选举的结果已经超过十年了。

去年,中国Micius卫星,物理学家的锅健胃的合肥中国科技大学,做了一些绚烂的示威活动的方法。使用变体贝内特和臂章的协议,飞船创建了两个键,然后发送一个在北京一个地面站,另一个维也纳,因为它通过开销。车载电脑然后结合两个密钥创建一个新的一个,它照耀着经典。带着他们的私钥,维也纳和北京团队可以由本质上减去自己的解读,结合关键,所以学习对方的秘密密钥。这两个键,一个团队可以解密加密传输,其他团队的关键。去年9月,锅和齐林格用这种方法建立第一个洲际视频聊天与量子密钥安全部分⁵。

卫星等Micius可以帮助解决的一个主要挑战:使今天的量子通信安全距离。创建一个加密密钥所需的光子可以被大气层吸收或-地面网络的光纤,这使得量子传输几十公里后不切实际。

因为量子态不能被复制,它不是一个选项来发送一个量子位的多个副本,希望至少有一个会。所以,目前,创建长途QKD链接要求建立信任的节点充当中介。如果一个人侵入一个可信节点,负责钥匙在量子和经典形式,他们将能够复制的钥匙没有被发现,所以,当然,可能政府或公司操作的节点。这是真的可信节点在地上和Micius。“卫星知道一切,”潘说。但通过卫星可以减少可信节点的数量需要连接遥远的点。

潘说,信任的节点已经一步对于某些应用程序,因为他们减少点很容易受到网络攻击。他还创造了广泛的京沪量子通信骨干。在9月推出,这连接4城市32可信节点使用超过2000公里的光纤,和被测试的银行和商业通信,如链接的数据中心网络购物巨头阿里巴巴,潘说。

量子连接

但只是部分量子网络涉及到信任的节点。量子物理学起到了很重要的作用只有在节点如何创建加密密钥;随后的加密和传输的信息完全是经典。真正的量子网络能够利用纠缠和长距离传输量子信息传送,不需要受到信任的节点。

构建这类网络的一个主要动机是使量子计算机相互交谈,国家之间和在一个房间。量子位的数量可以装进任何一个计算系统可能是有限的,所以网络系统可以帮助物理学家规模。“在这一点上,它是公平地说,可能你就能建立一个与也许几百量子位的量子计算机,”米哈伊尔·鲁金说,马萨诸塞州剑桥哈佛大学的物理学家。“除此之外,唯一的方法就是使用这种模块化方法,涉及量子通信。”

在更大的范围内,研究人员设想一个量子计算云,有一些非常复杂的机器可以通过量子互联网大部分大学的实验室。“额外的酷的事情是这样的云量子计算也安全,”罗纳德·汉森说,代尔夫特一个实验物理学家。“人们在服务器无法知道什么样的程序运行和数据你。”

其他研究人员已经提出了大量的建议互联网应用,如拍卖、选举、合同谈判和交易速度,可以利用量子现象比经典同行更快或更安全。

但最大的量子网络可以对科学本身的影响。同步时钟使用纠缠可以改善全球定位系统导航网络的精度从米到毫米,一些研究人员说。和鲁金和其他人提议使用纠缠遥远的原子钟合并成一个时钟精度大大提高,他说这可能会导致引力波探测的新方法,为例。在天文学中,量子网络可能在数千公里连接遥远的光学望远镜,来有效地给他们解决一盘生成相同的距离。这个过程称为甚长基线干涉测量法,通常应用在射电天文学,但是操作在光学频率定时精度要求目前遥不可及。

令人毛骨悚然的安全

在过去的十年左右,实验由克里斯托弗·梦露⁶马里兰大学的物理学家在大学公园,和其他人展示的一些基本需要建立一个真正的量子网络,如传送信息编码在量子位元从一个地方到另一个(见“创建一个量子网络”)。

如何传送(班纳特也提出和臂章⁷),想象两个用户:爱丽丝和鲍勃。爱丽丝是一个量子位,可能是一个被困的离子或其他量子系统,并希望传递的信息存储在鲍勃。幸运的是,爱丽丝和鲍勃拥有两个“代理”粒子——也量子位,相互纠缠。如果爱丽丝能缠绕她的量子位和代理粒子,量子位,推而广之,也变得纠结鲍勃的粒子。为此,爱丽丝执行某种特定的联合测量她的两个粒子。然后她股测量结果(普通、经典数据)和鲍勃。完成传送过程中,鲍勃,然后使用这些信息来操纵他的粒子,它最终在爱丽丝的量子位最初一样的状态。

出于实用目的,不管如何Alice和Bob获得粒子纠缠态代理。他们可能是单个原子在一个公文包,或由第三方对光子发射。(去年Micius实验的一个发送纠缠双光子在中国两个地面站的记录距离超过1200公里。)爱丽丝和鲍勃也纠缠量子比特他们持有,通过发送光子相互作用在第三个位置。

量子隐形传态是量子信息的美并不在技术上沿着网络。光子,旅行只是用于建立Alice和Bob这样量子信息之间的联系可以被转移。如果一对纠缠光子未能建立连接,另一双。这意味着如果光子量子信息不会丢失。

链接和重复

量子互联网能够产生纠缠任何两个用户之间的需求。研究人员认为,这将包括发送光子通过光纤网络和卫星连接。但连接遥远的用户将需要一个技术可以扩展的纠缠——传送从用户到用户和中间点。

一种这样的量子中继器可以被鲁金和他的同事在2001年提出⁸。在他们的方案中,小量子计算机可以储存量子位和做简单的操作用于缠绕用一个下游对上游站的量子位。重复应用这种纠缠交换的过程沿着一条路径在网络最终将产生任何两个用户之间的纠缠。

2015年,汉森和他的同事们展示了如何构建相关的网络时一条腿两个量子位元由单原子杂质的钻石晶体和相隔1.3公里⁹。两个量子位元发出的光子对旅行一个中间站,然后他们互动,建立纠缠。“这表明我们可以真正建立纠缠——强,可靠的纠缠——两个遥远的量子信息处理器之间,“Seth Lloyd说,麻省理工学院的物理学家在剑桥。

研究人员正在调查其他方法来构建和操纵量子位,包括使用单个离子悬浮在真空-由梦露和其他人以及系统配对原子和光子两个镜子内腔之间跳跃。

汉森的钻石体系,这些量子位可以用来建立量子计算机和量子中继器。幸运的是,人们希望增加量子通信中继器的需求可能比那些不要求完全成熟的量子计算机。Iordanis Kerenidis,量子计算巴黎狄德罗大学的研究员做了这个论点在研讨会上量子中继器来自奥地利,去年9月。“如果你告诉实验,你需要有1000个量子位,他们会笑,”他说。“如果你告诉他们你需要10——好吧,他们笑少。”

创建一个量子网络的前景现在成为一个系统工程问题。“从实验的角度来看,人们已经证明了各种建筑材料”量子网络,特蕾西诺萨普说,奥地利因斯布鲁克大学的物理学家的团队工作腔量子比特和韦娜泛欧量子网络联盟的一部分。“但是把它们放在一起在一个地方,我们都看到它是如何挑战,”诺萨普说。

目前,韦娜联盟仍处于初期阶段,寻找公共资金以及公司合作伙伴。同时,荷兰示范网络——韦娜位联席汉森和欧文·范·Zwet联合系统工程师在荷兰研究组织TNO——一直前进。汉森和他的同事们一直在提高系统的速度,这在2015年的实验中纠缠在相当于245个量子位对9天。另一个关键的挑战是可靠地转换出来的可见波长的光子钻石量子位更长,红外的,可以沿着光纤;这是棘手的,因为新的光子仍然旧携带的量子信息,但是没有克隆的可能性。今年早些时候,汉森和他的同事们做到了这一点,使光子相互作用更长的波长的激光¹⁰。这种技术将使量子比特/距离数万公里/纤维有关。

汉森的团队正在建立一个代尔夫特和海牙之间的联系,一个好的10公里外。到2020年,荷兰研究人员希望连接了四个城市,在每个站点站作为量子中继器。如果成功,该项目将是世界上第一个真正的量子隐形传态网络。该组织旨在打开其他团队执行远程量子通信实验感兴趣,就像IBM的量子的经验,它允许远程用户访问一个初级的量子计算机。

网络可以是一个测试床研究人员希望解决互联网上的一些缺陷,尤其是的用户可以伪造或者窃取身份。“你可以加入一个网络没有从早期建立的身份是一个问题,”罗伯特·Broberg说电信设备巨头思科网络工程师,来自会议。韦娜和其他人提出量子技术将允许用户证明其身份证明他们拥有正确的密码(一系列经典比特)没有发送它。相反,用户和服务器使用代码创建一个量子比特序列和发送他们之间的“黑盒”。黑盒——这可能是说,现金机器——可以比较两个序列是否匹配,不知道底层代码。

但是一些研究人员告诫不要过分吹嘘的潜在的技术。“今天的互联网永远不会完全量子,不超过电脑会all-quantum,”尼古拉Gisin说,在瑞士日内瓦大学的物理学家和ID Quantique公司的创始人之一。可能是很多人希望实现量子网络的事情可以用更传统的技术。“有时候,看起来像一个好主意,然后结果是很容易实现的量子效应,”诺伯特•Lutkenhaus说,加拿大滑铁卢大学的物理学家,他是帮助开发未来量子互联网标准。

时间会告诉量子网络的承诺是否会实现。据我们所知,传送是一个现象,虽然身体上可能,不发生在自然界中,齐林格说。“这是真正的新人类。它可能需要一些时间。”

韦娜熟悉物理和网络安全已经使她的参考点的人。和做了许多工作后核心量子理论,她是享受形状这些未来网络的机会。“对我来说,”她说,“这真的是完整的循环”。