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量子通讯突破关卡 将成下世代网络通讯主干

  • 林育中
量子通讯主要应用在量子加密,是下世代的网络通讯主干。将来没有量子通讯网络整个国家立刻会变成信息孤岛。(图片来源:Pixabay)

量子通讯(quantum communication)是量子信息(quantum information)产业中一个主要的次领域,虽然目前不如量子计算是当红的科技显学,但重要性可能有过之而无不及。

量子通讯主要的应用在量子加密(quantum cryptography),是下世代的网络通讯主干。可以想象若一个国家如果没有量子计算机可能只会在材料、制药等领域发展相对迟滞,但是没有量子通讯网络则整个国家立刻会变成信息孤岛。因为信息一旦从有量子网络的地方传入传统网络中,马上变的透明,所有的业务、财务往来等因而有极高的风险,没人敢跟你有信息往来。

美国最近正在草拟两个法案-包括National Quantum Initiative与另一个以陆军和海军为主的研发计画-以确保美国在量子信息领域发展的领先。整体来说,美国在许多量子信息领域还保有领先。譬如在量子计算中,美国的专利仍然以4:1的比数领先大陆,但是在量子通讯领域的专利,大陆自2014年后就超过美国。特别是墨子卫星在2016发射后,去年又展示了在北京与维也纳之间的视讯会议,这一切令美国深感不安,所以立法以快马加鞭推进。

尽管同为量子信息中的次领域,量子通讯可能先于量子计算进入应用阶段。荷兰Delft University正在部署4个城市之间的量子通讯网络,预计2020年可以初步展示;大陆则开始在北京、济南、合肥、上海4个城市之间建立2,000公里长的量子通讯网络骨干架构,虽然民用的网络预计尚需10~15年的光景。

量子信息技术的挑战一直都是如何将多个量子位元缠绕(entanglement)起来,缠绕指的是2个以上的量子位元经过交互作用而将其量子状态连结起来,这些缠绕的量子位元状态-即使相互之间的距离再远-在量测其物理特性时会呈现特殊的相关性。量子位元缠绕是一切量子信息运行的根本机制,只不过量子计算的量子位元间距离较近、数量较多;而量子通讯的量子位元间距离较远、数量较少。而相互缠绕的量子位元数量少,难度就没那么高,比较容易达标。

量子位元的相互缠绕需要谨慎的维持,避免外界电、磁、热等各种杂讯破坏缠绕-术语叫退相干(decoherence),所以量子计算机需要在极低温下运行是目前技术条件的必然环境。量子通讯以前较大的问题是产生量子位元缠绕的速度还不如退相干的速度,量子通讯因此变得不可靠甚或不可行。

量子通讯最近突破性的进展是可以用决定性(deterministic)的方式有效率的产生缠绕态(注),讲决定性是相对于量子现象天生是机率(probabilistic)的特性。方法说穿了不值钱,就是在一个时间区段内高频率的制造缠绕态直到成功为止,这样在一定时间内产生缠绕态就是决定性的。但是在工程和物理上需要创新,才能达到需要的效率以及缠绕态的保真度(fidelity)。在量子通讯的应用上,这是基础区块。

在网络通讯安全这个议题上,量子计算与量子通讯是孪生的,因为量子计算的Shor's算法很容易破解公钥架构(PKI)中的私钥,不能被拦截、不能被复制的量子通讯应运而生。在加解密这个场域中,量子计算扮演的是剑、量子通讯扮演的是盾的角色。手中有剑有盾固然好,但是如果只能选择一个,你选择剑还是选择盾?

注:最新突破请参考《Nature》期刊上的文章 "Deterministic delivery of remote entanglement on a quantum network", Nature 558, 268(2018)及 "Deterministic quantum state transfer and remote entanglement using microwave photons", Nature 558, 264(2018)

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。