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量子互聯網:從零開始并非易事,人類創造力成最大變數

2019-10-4 8:05:02來源:獵云網作者:Apollo責編:微塵/實習評論:

1969年10月29日,通過互聯網的前身阿帕網(Arpanet),第一批數據從加州大學洛杉磯分校(UCLA)的一臺計算機上傳輸到帕羅奧多的斯坦福研究所(SRI)。

那天晚上,加州大學洛杉磯分校的團隊與SRI團隊通著電話,并開始輸入“LOGIN”。“我們輸入了‘L’,然后問對面,‘你收到L了嗎?’”加州大學洛杉磯分校的計算機科學家Leonard Kleinrock回憶道。“‘是的,’SRI答復道。我們輸入了‘O’問,‘你收到O了嗎?’‘是的,’SRI同樣答復道。我們輸入‘G’然后問,‘你收到G了嗎?’糟糕!SRI的主機崩潰了。這是現在我們所說的互聯網第一條信息。”

網絡傳輸數據的能力——以及網絡崩潰的趨勢,或者其他不可預測的情況——一直深深吸引著Stephanie Wehner。這位代爾夫特理工大學物理學家兼計算機科學家說:“在一臺計算機上,一切都會順理成章地發生。但在網絡上,會發生許多意想不到的事情。”在兩個層面上,這個說法是正確的:相互連接的計算機程序會相互干擾,產生令人意想不到的效果。同樣,網絡用戶也變得有創造力。Wehner指出,“人們最初會以為我們僅僅用互聯網來發送一些文件”。

Wehner第一次上網是在1992年左右,但在幾年后才能輕松地使用互聯網。當時她還是一個十幾歲的德國少女,不過已經是一個熟練的計算機程序員了。很快她就成為一名初出茅廬的互聯網黑客。20歲時,她得到了一份“好”的黑客工作,代表一家互聯網提供商處理網絡漏洞。但是不久,她對黑客工作感到厭煩,開始尋求對信息傳輸和網絡有更深入理解。

Wehner現在是知識領袖之一,努力從零開始創建一種新型的互聯網。她正在設計“量子互聯網(quantum internet)”,這是一種傳輸量子比特的網絡,而不是傳輸值為0或1的經典比特。在量子比特中,0和1兩種可能性共存。這些“量子位”可能是由兩種不同極化組合的光子而組成。通過光纜將量子比特從一個地方發送到另一個地方的能力,可能不會像傳統互聯網那樣徹底改變社會,但它將再次徹底改變科學和文化的眾多方面,從安全領域到計算領域再到天文學。

Wehner是量子互聯網聯盟的協調員。量子互聯網聯盟是一個歐盟的倡議,目的是在整個歐洲大陸建立一個傳輸量子信息的網絡。在去年10月發表在《科學》雜志上的一篇論文中,她和兩位合作者提出一個實現量子互聯網的六階段計劃,其中每個發展階段都將支持新的算法和應用。第一個階段已經開始,是建設一個連接荷蘭四座城市的示范量子網絡——一種類似于阿帕網的模擬。量子互聯網聯盟總部位于因斯布魯克大學,其成員Tracy Northup贊揚了“Wehner的遠見,以及她為了實現目標而構建大規模結構的奉獻精神。”

退出黑客工作后,Wehner進入荷蘭的大學學習計算機科學和物理學。她聽到量子信息理論家John Preskill在Leiden發表演講,描述量子比特在通信方面的優勢。幾年后,在獲得博士學位后,她加入了加州理工學院的Preskill小組,開始博士后之旅。

Preskill說,在加州理工學院,除了證明幾個關于量子信息、量子密碼學和量子力學本身性質的著名定理外,Wehner還成為了“一位天生的領導者”。Preskill說:“她常常是把人們緊緊聯系在一起的粘合劑。”2014年,在新加坡擔任了教授后,她搬到了代爾夫特。在那里她開始與實驗者合作,為量子互聯網奠定基礎。

以下采訪經過了壓縮和編輯。

Q:量子互聯網是一個在距離很遠的地點之間傳輸量子比特的網絡。為什么我們要這么做?

A:我們的想法不是要取代今天的互聯網,而是要真正增加新的和特殊的功能。量子網絡的各種應用都會在未來才被發現,但我們已經知道其中非常多的應用方面。當然,最著名的應用應該是通信安全:事實上,人們可以使用量子通信來執行所謂的量子密鑰分發,也就是說即使攻擊者擁有量子計算機,安全性也會保持不變。一臺量子計算機將能夠打破目前存在的許多安全協議。

Q:是什么讓量子密鑰如此安全?

A:理解量子互聯網能做什么的一個好方法是思考“量子糾纏”。“量子糾纏”是指兩個量子比特可以擁有的一種特殊性質,使得所有這些成為可能。糾纏的第一個性質是它是“最大協調”的:我在這里有一個量子比特,你在紐約有一個量子比特,我們將使用量子互聯網來糾纏這兩個量子比特。然后,如果我在這里對我的量子位進行測量,而你在紐約進行相同的測量,即使結果沒有提前確定,我們也會得到相同的結果。所以你可以直觀地認為,由于量子糾纏的第一個特性,量子互聯網非常適合需要協調的任務。

現在,考慮到這是最大程度的協調,你可能會說,“嘿,如果這種糾纏能被成百上千的人分享,不是很好嗎?“但這實際上是不可能的。所以糾纏的第二個特性是它本質上是私有的。如果我在這里的量子比特和你在紐約的量子比特糾纏在一起,那么我們知道沒有其他的東西可以分享這種糾纏。這就是量子通信對于需要安全性的問題如此有效的原因。

Q:作為量子通信最簡單的應用之一,量子密鑰最快可以在21世紀20年代初在您正在構建的演示網絡上使用。以后可能會有哪些更高級的應用呢?

A:新型的遠程計算能力將變成可能。假設您有一個專有的材質設計,并且希望在模擬中測試其特性,量子計算機有望比經典計算機做得更好。但你可以想象,并非每個人都會在他們的客廳里擁有一個量子計算機。一種方法是你把你的材料設計發給我,我在我的量子計算機上為你運行一個模擬,然后告訴你結果。這當然很好,但現在我也知道了你專利材料的設計。所以量子網絡有一點是可能的,你可以使用一個非常簡單的量子設備(事實上它一次只能產生一個量子比特),量子網絡可以把量子比特從你的設備傳輸到我強大的量子計算機。你可以用這種方式,這樣我的量子計算機就不能在進行計算時了解你的材料設計。

再舉一個例子,人們也已經證明糾纏可以使兩地之間的時鐘同步更加精確,這將會有很多應用。量子互聯網也可以通過組合遠程的望遠鏡,來制造更好的望遠鏡。進入望遠鏡1的光粒子狀態通過量子糾纏被傳送到望遠鏡2,然后它們會與望遠鏡2的光結合。

Q:你也在模擬未來的量子互聯網。為什么有這必要?

A:我們最近在建立一個非常廣泛的模擬平臺,現在運行在一臺超級計算機上。有了這個平臺,我們可以探索不同的量子網絡結構,并了解很難通過分析預測得到的性質。通過這種方式,我們希望找到一種可擴展的設計,可以使量子通信遍及整個歐洲。

網絡的不可預測性一直吸引著我。計算機很有趣,但我真正關心的是把數據從一個點傳送到另一個點。這就是為什么我最開始會進入黑客領域,也是為什么我開始對經典互聯網感興趣并開始接觸它。從根本上說,很難掌握網絡中發生的事情,因為有太多沒有特征的事情。例如,如果你想發送一條消息,你不能準確地預測它可能需要多長時間。消息可能丟失,電腦可能會死機,可能運行地太慢,可能會損壞數據。它可能以意外的方式更改了協議,因為它可能是舊版本、新版本或惡意版本。

Q:在你成為一個好黑客之前,你是一個壞黑客嗎?

A:這不是我們在采訪中可以說的話題!我想那時的世界更美好。但我什么都不承認,哈哈。

Q:你為什么決定放棄當黑客,成為一名科學家?

A:我知道黑客攻擊聽起來非常令人興奮,但我已經做了一段時間了。當然有一種方法可以改進,但都是一樣的。我覺得無聊,決定去探索一些新的冒險。然后我發現了量子信息理論,那是非常迷人的。

Q:你證明的一個關于量子信息定理是噪聲存儲定理。這是什么定理呢?它對量子通信有什么含義嗎?

A:噪聲存儲定理是一種物理假設下的密碼學。在經典世界里,人們經常做一個計算假設。例如,假設很難確定一個大數的素因子,如果這個假設成立,那么我的協議是安全的。這些安全證明很有效而且遍布各處,但人們應該意識到,它們可能會在以后失效。如果將來有人發明了一個智能算法來破解安全性所基于的計算問題,安全性很可能會被追溯性地破壞。例如,當我們有量子計算機時,它們將能夠對大量數據進行因子分解,因此基于因子分解的安全性將被破壞。如果有人今天記錄了你的消息,那么他們可能會在以后破譯出這些信息。

噪聲存儲工作就是關于:我們能不能做一個物理假設,讓它不能被追溯性地打破?物理假設是很難在沒有噪聲的情況下存儲大量的量子態,這只需要在很短的時間內實現。如果我假設現在你最多只能存儲100萬個噪聲量子位,那么我可以處理我的協議參數,通過發送比百萬個噪聲量子位所能捕獲到的更多信息來提高安全性。這非常有效,因為如果明天你去買200萬量子比特的量子存儲器,那就太晚了,畢竟信息已經被安全地發送了。

這將允許我們在量子通信中實現各種協議。比如說兩個人想在不泄露密碼的情況下互相比較對方的密碼。這不像我們現在使用ATM機輸入密碼那樣——相反,我要在我自己的設備上輸入密碼,它永遠不會泄露到ATM機上。在噪聲存儲假設下,該協議成為可能。

Q:對量子互聯網的追求是否有可能培養人們對自然規律的一種基本見解——也就是一種邊做邊學的科學方法?

A:科學界有時會做出這樣的判斷:有些問題是根本性的,有些問題是平凡普通的。我認為把人們真正可以使用的東西帶到現實世界中從來都不是平凡的事。這是非常困難的。從“我有個好主意,讓我們在白板上討論吧”到我現在用來通話的手機,這絕對是令人興奮的進步。有了量子互聯網,我們正試圖從頭開始,從零開始。從實驗室的早期實驗,到我們試圖在荷蘭建立的這個網絡,再到實驗室之外非常有效的、人們可以使用的、可以玩的東西。這些都是那些不知道物理原理的人去做的。如果系統的一部分已經存在,我們可以說,“現在我們要改進它。”但是從零到第一個版本的過程非常巨大。

這樣做,我想我們會在幾個方面有一個更基本的了解。我們將通過使這些網絡來學習更多的物理知識,但目前我們還不知道如何做到這一點。我們仍在嘗試不同類型的節點和量子中繼器,這些設備可以遠距離傳輸量子糾纏。在計算機科學領域,由于與傳統通信的根本區別,我們將學習一種全新的網絡編程和控制方法。

但我也認為,利用這樣一個網絡,我們可以獲得有關創造力和社會科學的很多信息——也就是人們將如何去使用這些網絡。如果你看看經典的互聯網歷史就可以知道,人們當時只認為我們會用它來發送一些文件。這很棒。但是人們變得更有創造力了。

我認為很難為所有的這些工作設定一個時間表,但在你的有生之年,你是否希望看到你所說的量子互聯網呢?

我會對這一切保持樂觀,是的,我希望看到。

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關鍵詞:量子互聯網

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