◎本報記者劉霞
近日，美國紐約州立大學石溪分校科學家菲格羅阿等人在一篇發表於《自然·量子資訊》上的論文中稱，他們透過把兩個獨立的光子儲存在銣氣裡，首次在室溫條件下建構了一個量子記憶體網路。鑑於量子記憶體是量子網路的基礎性技術，最新研究讓我們離量子網路又更近了一步。
中山大學電子與通訊工程學院教授孫仕海告訴科技日報記者："相比於現有經典互聯網，量子互聯網具有更靈敏的信息獲取能力，以及更安全、更快速的信息處理能力。"
鑑於量子網路的上述優勢，美國、歐盟國家的多個研究機構和大企業，已競相開始建立量子網路。 「但建構量子網路不可能一蹴而就，還有很多關鍵技術亟待突破。」孫仕海強調。
資訊處理更快更安全
量子網路究竟是「何方神聖」？
孫仕海介紹："廣義上的量子互聯網是採用量子通信連接量子感測器和量子計算機所形成的新一代互聯網絡，是量子通信網絡、量子感測網絡和量子計算網絡的總稱。"
量子電腦和量子感測器等量子設備都利用了量子態的疊加和糾纏兩大特性。位元作為傳統電腦的基本資訊處理單元，只能處於0和1兩種邏輯態中的一種。而作為量子資訊基本單位的量子位元可以是1、0，以及兩者的疊加。因此量子電腦可以用遠超傳統比特的密度，儲存和傳輸更多資訊。量子位元還能發生糾纏，即兩個或兩個以上粒子之間密不可分的連結。愛因斯坦將量子糾纏稱為「幽靈般的超距作用」。
在上述兩大特性的加持下，擁有數以百萬計量子位元的量子電腦的功能預計會比目前最快的超級電腦強大得多，因為糾纏在一起的量子比特能同時進行更多計算。
菲格羅阿也表示，量子網路擁有固有的安全性。傳統互聯網的通訊可以被攔截或操縱，但量子糾纏理論提出，對其中一個粒子的任何觀測都會瞬間影響到另一個粒子的狀態，而任何攔截和讀取通過量子網絡傳輸的信息的嘗試都等同於觀測，這將導致透過線路移動的量子位元疊加崩潰，從而"露出馬腳"，因此可被用來檢測任何潛在的竊聽行為。
美國能源部也曾指出，量子互聯網利用量子力學定律，和現有網路相比，能更安全地傳輸訊息，「幾乎不可破解」，未來將對科學、工業及國家安全等關鍵領域產生深遠影響。美國芝加哥大學量子研究團隊負責人戴維‧歐沙洛姆則將量子網路稱為第二次量子革命。
量子互聯網提供的安全通訊方式可望開啟更廣泛的應用領域，遠遠超出傳統互聯網的範疇。荷蘭代爾夫特理工大學量子資訊學教授史蒂芬妮‧魏納在接受歐洲《現代外交》雜誌採訪時指出，如果量子網路建成了，天文學是可能受益的領域之一。執行遠距離觀測任務的望遠鏡可以「利用量子網路讓感測器與感測器發生糾纏，以便產生更清晰的影像」。
波士頓顧問公司的一項調查稱，到2030年，後量子密碼學和量子通訊市場的規模將達100億美元，與量子運算市場60億美元到120億美元的規模相當。
大規模網路建設任重道遠
理想很豐滿，現實卻很骨感。
孫仕海認為，量子網路的實現有許多關鍵技術待突破。首先，量子互聯網與經典互聯網在協定和架構上有一定的差異，如何建構高效的量子互聯網架構尚在研究中。其次，目前量子通訊網路的研究與建置主要也集中在量子金鑰分發等安全領域，研究如何讓資料更安全傳輸，而通訊網路協定方面的研究還比較欠缺。
「最後，量子網路建設，除需要量子儲存、量子中繼等裝置突破外，在高亮度糾纏源、高性能單光子探測、光電整合量子態調變解調晶片、針對量子裝置的程式軟體等方面也亟待突破，需要進一步降低這些裝置的體積、功耗、成本等，以滿足大規模網路建設需求。」孫仕海進一步解釋。
菲格羅阿團隊的研究正是在量子記憶體領域的最新進展。菲格羅阿表示，近年來建立的量子網路都需要把溫度降至絕對零度才能運行，這限制了實用性。而他們的最新研究比以往的成果更具可行性。不過，在室溫條件下，他們目前只能把量子位元儲存零點幾秒。而其他科學家在極低溫度下能將量子位元儲存1個多小時。
此外，建立更大規模的量子網路也充滿挑戰。專家認為，量子資訊由光子攜帶，後者透過光纖傳輸，就像現有的傳統網路一樣。但最多「旅行」50公里到150公里後，這些光子就會被吸收。因此，目前科學家只能建立一個大都市規模的量子網絡，而無法建造一個國家或世界規模的網絡。
有鑑於此，菲格羅阿團隊計畫下一步開發量子中繼器，這種裝置可以延長量子訊號的傳輸距離，有助於建構大規模量子網路。
多國發力打造量子互聯網
根據《迴聲報》報道，為建構更大規模的量子互聯網，多家大企業、新創公司以及大學和科研機構於2023年4月發起了「法國量子通訊網絡」計劃，致力於打造法國「量子網絡的未來通訊系統"，該計劃將持續30個月。
2023年，歐盟也啟動了名為「量子網路聯盟」的項目，匯集了歐洲各地的研究機構和公司。該計畫計劃在3年內（截至2026年3月底）獲得2,400萬歐元的歐盟資金。目前歐盟內部同時有27個類似的項目正在測試中。法國索邦大學物理學教授朱利安·洛拉表示，這些計畫旨在發展國家基礎設施，然後在歐洲連接成一個更大的量子網路。
科學家也在全球多地進行量子網路方面的實驗。根據歐洲《現代外交》網站先前報道，2023年5月，奧地利因斯布魯克大學的研究團隊利用量子物理學原理，沿著50公里長的光纖傳輸了量子資訊。另根據美國《大眾科學》月刊網站報道，亞馬遜網路服務公司與哈佛大學合作，測試開發量子網路技術，正在接受測試的量子網路利用光子來實現量子態的長距離通訊。 2022年夏天，芝加哥大學量子研究團隊等也發表了一個長約200公里的量子網絡，用於測試發送量子資訊的方法。 2023年，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉等實現了光纖中1002公里點對點遠距離量子密鑰分發，不僅創下了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄，也提供了城際量子通訊高速率主幹鏈路的方案。
科學家的目標是，有朝一日透過光纖和衛星連接，將目前在全球各地進行測試的量子通訊網路連接成一個最終橫跨全球的量子網路雛形。
至於這一網路未來將為世界帶來什麼天翻地覆的變化，人們只能拭目以待。正如芝加哥大學量子研究團隊的格蘭特史密斯所說，當網路的雛形首次面世時，人們並沒有預料到電子商務的出現，目前我們也無法想像量子網路所有的潛在用途。
「當然，量子網路也不能完全取代經典網路。可以想像，即使在量子網路時代，網路中應該也會存在經典的感測器和運算模組。」孫仕海說。
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