全球研究人員及企業都在創建超安全的通信網絡，而這些網絡有望成為量子互聯網的基石。這篇文章將闡述其工作原理。

▲圖片 1 源于Ms. Tech

過去十年開發的量子處理器可以歸類為“噪聲中等規模量子” (NISQ) 設備。然而，近期有限的量子糾錯（QEC）演示預示著一個新時代的開始。DOE預測這兩類設備將共存，路線圖顯示：

幾乎每周都有關于新超級黑客攻擊的報道，這些攻擊暴露了大量敏感信息，包括人們的信用卡詳情、健康記錄以及公司的寶貴知識產權。網絡攻擊帶來的威脅迫使政府、軍隊和企業探索更安全的信息傳輸方式。

如今敏感數據通常會被加密，通過光纖和其他渠道與解碼信息所需的數字“密鑰”一起發送。這些數據和密鑰以經典比特的形式發送——即代表“1”和“0”的電脈沖或光脈沖信號。而這會使信號相對“脆弱"，因為聰明的黑客可以在數據傳輸過程中讀取和復制比特，且不留痕跡。

量子通信利用量子物理定律來保護數據。這些定律可以使粒子（通常是用于通過光纜傳輸數據的光子）能夠處于疊加態，處于疊加態的粒子可以同時表示0或1的多種組合狀態。這些粒子被稱為量子比特，或量子位（qubit）。

從網絡安全的角度來看，量子比特的美妙之處在于，如果黑客試圖在傳輸過程中觀測它們，它們那極其脆弱的量子態會“坍縮”為0或1。這意味著黑客無法在不留下明顯痕跡的情況下篡改量子比特。

一些公司已經利用這種特性，基于一種名為量子密鑰分發（QKD）的過程，創建了用于傳輸高度敏感數據的網絡。至少在理論上，這些網絡具有極高的安全性。

什么是量子密鑰分發？

QKD的過程涉及將加密數據以經典比特的形式通過網絡發送，而解密信息所需的密鑰則以量子態編碼，并通過量子比特進行傳輸。

如今已經開發出了多種方法和協議助力推動QKD的落實。其中廣泛應用的BB84協議工作原理如下：設想有兩個人，Alice和Bob。Alice希望安全地向Bob發送數據。為此，她以量子比特的形式創建一個加密密鑰，這些量子比特的偏振態代表密鑰中各個比特的值。

這些量子比特可以通過光纖發送給Bob。通過比較部分量子比特狀態的測量結果——這一過程稱為“密鑰篩選”——Alice和Bob能夠確認他們持有相同的密鑰。

在量子比特傳輸至目的地的過程中，部分量子比特的脆弱量子態會因退相干而坍縮。為應對這一現象，Alice和Bob接下來會進行“密鑰提純”，即計算錯誤率是否高到足以表明有黑客嘗試截取密鑰。

如果錯誤率過高，他們會丟棄可疑密鑰并持續生成新密鑰，直至確信雙方共享的是一個安全的密鑰。隨后，Alice可以使用她的密鑰加密數據，并以經典比特形式發送給Bob，Bob則用他的密鑰解碼信息。

我們已見證了很多QKD網絡的出現。其中最長的一條位于中國，連接北京與上海，長達2,032公里。銀行及其他金融機構已利用該網絡傳輸數據。在美國，一家名為Quantum Xchange的公司達成協議，獲得沿東海岸鋪設的805公里光纖的使用權，用于構建QKD網絡。首期工程連接曼哈頓與新澤西，那里坐落著許多銀行的大型數據中心。

盡管QKD相對安全，但若能依賴量子中繼器，其安全性將更上一層樓。

什么是量子中繼？

光纖內的材料會吸收光子，這導致光子通常只能傳播幾十公里。在經典網絡中，會在光纖沿線的各個點設置中繼器來放大信號以彌補這一缺陷。

QKD網絡也提出了類似的解決方案，即在不同點創建“可信節點”。例如，北京至上海的QKD網絡就有32個這樣的節點。在這些中繼站，量子密鑰會被解密成比特，然后再以新的量子態重新加密，繼續傳輸到下一個節點。但這意味著所謂的“可信節點”其實并不可信：一旦節點安全被攻破，黑客就可以在不被察覺的情況下復制這些比特，從而獲取密鑰，運行這些節點的公司或政府同樣能做到這一點。

理想情況下，我們需要量子中繼器，或者是在中繼站中配備量子處理器的中繼站，這樣加密密鑰在放大并遠距離傳輸時就能保持量子態。研究人員已經證明，從原理上講，建造這樣的中繼器雖然可行，但他們尚未能制造出原型。

QKD還存在另一個問題。由于底層數據仍然是通過傳統網絡以加密比特的形式傳輸，這意味著一旦網絡防御被黑客攻破，黑客就可以在不被察覺的情況下復制這些比特，然后使用強大的計算機來嘗試破解用于加密它們的密鑰。

雖然最強大的加密算法非常可靠，但風險仍然足夠大，促使一些研究人員致力于研究一種替代方法，即量子隱形傳態。

什么是量子隱形傳態？

這聽起來或許像科幻小說，但它確實是一種完全以量子形式傳輸數據的方法。該方法依賴于一種稱為量子糾纏的現象。

量子隱形傳態的工作原理是創建成對的糾纏光子，然后其中的一個糾纏的光子給數據發送方，另一個給接收方。當Alice接收到她的糾纏光子時，她讓其與一個“記憶量子比特”相互作用，該量子比特存儲著她想要傳輸給Bob的數據。這種相互作用改變了Alice光子的狀態，由于它與Bob的光子糾纏，這種相互作用也會瞬間改變Bob光子的狀態。

實際上，這相當于將Alice記憶量子比特中的數據“隱形傳送”到Bob的光子中。下圖更詳細地展示了這一過程：

美國、中國和歐洲的研究人員正競相創建能夠分發糾纏光子的隱形傳態網絡。然而，將其擴展至大規模應用將面臨巨大的科學與工程挑戰。實現的障礙眾多，包括找到按需大量生成糾纏光子的可靠方法，以及在極長距離上維持它們的糾纏狀態——量子中繼器有助于簡化這一任務。

盡管如此，這些挑戰并未阻止研究人員對未來的量子互聯網的憧憬。

什么是量子互聯網？

正如傳統互聯網一樣，量子互聯網將是一個覆蓋全球網絡之網絡。其顯著區別在于，基礎通信網絡將是量子的。

量子互聯網不會取代我們今天所熟知的互聯網。貓貓照片、音樂視頻以及大量非敏感的商業信息仍將以經典比特的形式傳輸。然而，對于需要保護極高價值數據安全的組織而言，量子互聯網極具吸引力。此外，它也是連接量子計算機間信息流動的理想方式，目前越來越多的量子計算機正通過云平臺提供服務。

中國在推動量子互聯網發展方面處于領先地位。幾年前，它發射了一顆名為“墨子號”的專用量子通信衛星，2017年，該衛星協助實現了北京與維也納之間世界上首次跨洲際、QKD保護的視頻會議。一個地面站已將衛星與北京至上海的陸地網絡相連。中國計劃發射更多量子衛星，國內多個城市正在規劃市政QKD網絡。

有些研究人員警告說，即便是完全量子化的互聯網，最終也可能面臨基于量子技術的新型攻擊的威脅。然而，面對困擾當今互聯網的黑客攻擊浪潮，企業、政府及軍方將繼續探索這一誘人的、更為安全的量子替代方案的前景。

作者：Martin Gilesarchive

譯者：徐雯昕