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量子互联网:从零开始并非易事,人类创造力或成最大变数
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2019-10-04 08:00:00 量子互联网:从零开始并非易事,人类创造力或成最大变数

在计算机科学领域,由于与传统通信的根本区别,我们将学习一种全新的网络编程和控制方法。

【猎云网(微信号:ilieyun)】10月4日报道(编译:原子核)

1969年10月29日,通过互联网的前身阿帕网(Arpanet),第一批数据从加州大学洛杉矶分校(UCLA)的一台计算机上传输到帕罗奥多的斯坦福研究所(SRI)。

那天晚上,加州大学洛杉矶分校的团队与SRI团队通着电话,并开始输入“LOGIN”。“我们输入了‘L’,然后问对面,‘你收到L了吗?’”加州大学洛杉矶分校的计算机科学家Leonard Kleinrock回忆道。“‘是的,’SRI答复道。我们输入了‘O’问,‘你收到O了吗?’‘是的,’SRI同样答复道。我们输入‘G’然后问,‘你收到G了吗?’糟糕!SRI的主机崩溃了。这是现在我们所说的互联网第一条信息。”

网络传输数据的能力——以及网络崩溃的趋势,或者其他不可预测的情况——一直深深吸引着Stephanie Wehner。这位代尔夫特理工大学物理学家兼计算机科学家说:“在一台计算机上,一切都会顺理成章地发生。但在网络上,会发生许多意想不到的事情。”在两个层面上,这个说法是正确的:相互连接的计算机程序会相互干扰,产生令人意想不到的效果。同样,网络用户也变得有创造力。Wehner指出,“人们最初会以为我们仅仅用互联网来发送一些文件”。

Wehner第一次上网是在1992年左右,但在几年后才能轻松地使用互联网。当时她还是一个十几岁的德国少女,不过已经是一个熟练的计算机程序员了。很快她就成为一名初出茅庐的互联网黑客。20岁时,她得到了一份“好”的黑客工作,代表一家互联网提供商处理网络漏洞。但是不久,她对黑客工作感到厌烦,开始寻求对信息传输和网络有更深入理解。

Wehner现在是知识领袖之一,努力从零开始创建一种新型的互联网。她正在设计“量子互联网(quantum internet)”,这是一种传输量子比特的网络,而不是传输值为0或1的经典比特。在量子比特中,0和1两种可能性共存。这些“量子位”可能是由两种不同极化组合的光子而组成。通过光缆将量子比特从一个地方发送到另一个地方的能力,可能不会像传统互联网那样彻底改变社会,但它将再次彻底改变科学和文化的众多方面,从安全领域到计算领域再到天文学。

Wehner是量子互联网联盟的协调员。量子互联网联盟是一个欧盟的倡议,目的是在整个欧洲大陆建立一个传输量子信息的网络。在去年10月发表在《科学》杂志上的一篇论文中,她和两位合作者提出一个实现量子互联网的六阶段计划,其中每个发展阶段都将支持新的算法和应用。第一个阶段已经开始,是建设一个连接荷兰四座城市的示范量子网络——一种类似于阿帕网的模拟。量子互联网联盟总部位于因斯布鲁克大学,其成员Tracy Northup赞扬了“Wehner的远见,以及她为了实现目标而构建大规模结构的奉献精神。”

退出黑客工作后,Wehner进入荷兰的大学学习计算机科学和物理学。她听到量子信息理论家John Preskill在Leiden发表演讲,描述量子比特在通信方面的优势。几年后,在获得博士学位后,她加入了加州理工学院的Preskill小组,开始博士后之旅。

Preskill说,在加州理工学院,除了证明几个关于量子信息、量子密码学和量子力学本身性质的著名定理外,Wehner还成为了“一位天生的领导者”。Preskill说:“她常常是把人们紧紧联系在一起的粘合剂。”2014年,在新加坡担任了教授后,她搬到了代尔夫特。在那里她开始与实验者合作,为量子互联网奠定基础。

以下采访经过了压缩和编辑。

Q:量子互联网是一个在距离很远的地点之间传输量子比特的网络。为什么我们要这么做?

A我们的想法不是要取代今天的互联网,而是要真正增加新的和特殊的功能。量子网络的各种应用都会在未来才被发现,但我们已经知道其中非常多的应用方面。当然,最著名的应用应该是通信安全:事实上,人们可以使用量子通信来执行所谓的量子密钥分发,也就是说即使攻击者拥有量子计算机,安全性也会保持不变。一台量子计算机将能够打破目前存在的许多安全协议。

Q:是什么让量子密钥如此安全?

A理解量子互联网能做什么的一个好方法是思考“量子纠缠”。“量子纠缠”是指两个量子比特可以拥有的一种特殊性质,使得所有这些成为可能。纠缠的第一个性质是它是“最大协调”的:我在这里有一个量子比特,你在纽约有一个量子比特,我们将使用量子互联网来纠缠这两个量子比特。然后,如果我在这里对我的量子位进行测量,而你在纽约进行相同的测量,即使结果没有提前确定,我们也会得到相同的结果。所以你可以直观地认为,由于量子纠缠的第一个特性,量子互联网非常适合需要协调的任务。

现在,考虑到这是最大程度的协调,你可能会说,“嘿,如果这种纠缠能被成百上千的人分享,不是很好吗?“但这实际上是不可能的。所以纠缠的第二个特性是它本质上是私有的。如果我在这里的量子比特和你在纽约的量子比特纠缠在一起,那么我们知道没有其他的东西可以分享这种纠缠。这就是量子通信对于需要安全性的问题如此有效的原因。

Q:作为量子通信最简单的应用之一,量子密钥最快可以在21世纪20年代初在您正在构建的演示网络上使用。以后可能会有哪些更高级的应用呢?

A新型的远程计算能力将变成可能。假设您有一个专有的材质设计,并且希望在模拟中测试其特性,量子计算机有望比经典计算机做得更好。但你可以想象,并非每个人都会在他们的客厅里拥有一个量子计算机。一种方法是你把你的材料设计发给我,我在我的量子计算机上为你运行一个模拟,然后告诉你结果。这当然很好,但现在我也知道了你专利材料的设计。所以量子网络有一点是可能的,你可以使用一个非常简单的量子设备(事实上它一次只能产生一个量子比特),量子网络可以把量子比特从你的设备传输到我强大的量子计算机。你可以用这种方式,这样我的量子计算机就不能在进行计算时了解你的材料设计。

再举一个例子,人们也已经证明纠缠可以使两地之间的时钟同步更加精确,这将会有很多应用。量子互联网也可以通过组合远程的望远镜,来制造更好的望远镜。进入望远镜1的光粒子状态通过量子纠缠被传送到望远镜2,然后它们会与望远镜2的光结合。

Q:你也在模拟未来的量子互联网。为什么有这必要?

A我们最近在建立一个非常广泛的模拟平台,现在运行在一台超级计算机上。有了这个平台,我们可以探索不同的量子网络结构,并了解很难通过分析预测得到的性质。通过这种方式,我们希望找到一种可扩展的设计,可以使量子通信遍及整个欧洲。

网络的不可预测性一直吸引着我。计算机很有趣,但我真正关心的是把数据从一个点传送到另一个点。这就是为什么我最开始会进入黑客领域,也是为什么我开始对经典互联网感兴趣并开始接触它。从根本上说,很难掌握网络中发生的事情,因为有太多没有特征的事情。例如,如果你想发送一条消息,你不能准确地预测它可能需要多长时间。消息可能丢失,电脑可能会死机,可能运行地太慢,可能会损坏数据。它可能以意外的方式更改了协议,因为它可能是旧版本、新版本或恶意版本。

Q:在你成为一个好黑客之前,你是一个坏黑客吗?

A这不是我们在采访中可以说的话题!我想那时的世界更美好。但我什么都不承认,哈哈。

Q:你为什么决定放弃当黑客,成为一名科学家?

A我知道黑客攻击听起来非常令人兴奋,但我已经做了一段时间了。当然有一种方法可以改进,但都是一样的。我觉得无聊,决定去探索一些新的冒险。然后我发现了量子信息理论,那是非常迷人的。

Q:你证明的一个关于量子信息定理是噪声存储定理。这是什么定理呢?它对量子通信有什么含义吗?

A噪声存储定理是一种物理假设下的密码学。在经典世界里,人们经常做一个计算假设。例如,假设很难确定一个大数的素因子,如果这个假设成立,那么我的协议是安全的。这些安全证明很有效而且遍布各处,但人们应该意识到,它们可能会在以后失效。如果将来有人发明了一个智能算法来破解安全性所基于的计算问题,安全性很可能会被追溯性地破坏。例如,当我们有量子计算机时,它们将能够对大量数据进行因子分解,因此基于因子分解的安全性将被破坏。如果有人今天记录了你的消息,那么他们可能会在以后破译出这些信息。

噪声存储工作就是关于:我们能不能做一个物理假设,让它不能被追溯性地打破?物理假设是很难在没有噪声的情况下存储大量的量子态,这只需要在很短的时间内实现。如果我假设现在你最多只能存储100万个噪声量子位,那么我可以处理我的协议参数,通过发送比百万个噪声量子位所能捕获到的更多信息来提高安全性。这非常有效,因为如果明天你去买200万量子比特的量子存储器,那就太晚了,毕竟信息已经被安全地发送了。

这将允许我们在量子通信中实现各种协议。比如说两个人想在不泄露密码的情况下互相比较对方的密码。这不像我们现在使用ATM机输入密码那样——相反,我要在我自己的设备上输入密码,它永远不会泄露到ATM机上。在噪声存储假设下,该协议成为可能。

Q:对量子互联网的追求是否有可能培养人们对自然规律的一种基本见解——也就是一种边做边学的科学方法?

A科学界有时会做出这样的判断:有些问题是根本性的,有些问题是平凡普通的。我认为把人们真正可以使用的东西带到现实世界中从来都不是平凡的事。这是非常困难的。从“我有个好主意,让我们在白板上讨论吧”到我现在用来通话的手机,这绝对是令人兴奋的进步。有了量子互联网,我们正试图从头开始,从零开始。从实验室的早期实验,到我们试图在荷兰建立的这个网络,再到实验室之外非常有效的、人们可以使用的、可以玩的东西。这些都是那些不知道物理原理的人去做的。如果系统的一部分已经存在,我们可以说,“现在我们要改进它。”但是从零到第一个版本的过程非常巨大。

这样做,我想我们会在几个方面有一个更基本的了解。我们将通过使这些网络来学习更多的物理知识,但目前我们还不知道如何做到这一点。我们仍在尝试不同类型的节点和量子中继器,这些设备可以远距离传输量子纠缠。在计算机科学领域,由于与传统通信的根本区别,我们将学习一种全新的网络编程和控制方法。

但我也认为,利用这样一个网络,我们可以获得有关创造力和社会科学的很多信息——也就是人们将如何去使用这些网络。如果你看看经典的互联网历史就可以知道,人们当时只认为我们会用它来发送一些文件。这很棒。但是人们变得更有创造力了。

我认为很难为所有的这些工作设定一个时间表,但在你的有生之年,你是否希望看到你所说的量子互联网呢?

我会对这一切保持乐观,是的,我希望看到。

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