量子互联网:从零开始并非易事,人类创造力或成最大变数

2019-12-02 17:39:30

[云搜索网(微信号:)10月4日报道(汇编:核)

1969年10月29日,第一批数据通过互联网的前身阿帕网从加州大学洛杉矶分校的计算机传输到帕洛阿尔托的斯坦福研究所(sri)。

那天晚上,加州大学洛杉矶分校的团队和sri团队通了电话,开始输入“登录”。“我们输入‘L’,然后问对方,‘你收到L了吗?“洛杉矶加利福尼亚大学的计算机科学家伦纳德·克莱恩洛克回忆道。“‘是的,’斯里回答道。我们输入“o”并问,“你收到o了吗?”“是的,”斯里也回答道。我们输入“g”并问,“你收到g了吗?”妈的。Sri的主机崩溃了。这是我们在网上谈论的第一条信息。"

斯蒂芬妮·韦纳一直被网络传输数据的能力所吸引——以及网络崩溃的趋势或其他不可预测的情况。代尔夫特理工大学物理学家和计算机科学家说:“在计算机上,一切都是自然发生的。但是在互联网上,许多意想不到的事情会发生。”在两个层面上,这种说法是正确的:相互连接的计算机程序会相互干扰,产生意想不到的结果。同样,网络用户也变得富有创造力。韦纳指出,“人们最初认为我们只是使用互联网发送一些文件。”

韦纳第一次使用互联网是在1992年左右,但是过了几年他才能够轻松地使用互联网。那时,她还是一个十几岁的德国女孩,但她已经是一个熟练的计算机程序员。很快,她成了一名初出茅庐的网络黑客。20岁时,她找到了一份“好”工作,代表一家互联网提供商处理网络漏洞。但很快,她对黑客行为感到厌倦,开始寻求对信息传输和网络的更深入理解。

Wehner现在是知识领导者之一,努力从头开始创建一种新型互联网。她正在设计“量子互联网”,这是一个传输量子比特而不是值为0或1的经典比特的网络。在量子位中,两种可能性,0和1,共存。这些“量子位”可能由两种不同偏振组合的光子组成。通过光缆将量子位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许多方面,从安全到计算再到天文学。

Wehner是量子互联网联盟的协调员。量子互联网联盟是欧盟的一项倡议,旨在建立一个在整个欧洲大陆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,她和她的两个合作者提出了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。第一阶段已经开始,将建立一个连接四个荷兰城市的示范量子网络——一个类似ARPANET的模拟。量子互联网联盟成员特雷西·诺斯普(tracy northup)总部设在因斯布鲁克大学,她称赞“wehner的远见卓识和她为实现目标而致力于建造大规模结构”。

退出黑客工作后,魏纳进入荷兰大学学习计算机科学和物理。她听到量子信息理论家约翰·普雷斯基尔在莱顿发表演讲,描述了量子比特在通信中的优势。几年后,在获得博士学位后,她加入了加州理工学院的预杀小组,开始了博士后之旅。

Preskill说,除了证明关于量子信息、量子密码术和量子力学本身的几个著名定理之外,wehner已经成为加州理工学院的“天然领导者”。普雷斯基尔说:“她经常是把人们绑在一起的粘合剂。”2014年,在新加坡当教授后,她搬到代尔夫特。在那里,她开始与实验者合作,为量子互联网奠定基础。

以下采访经过压缩和编辑。

问:量子互联网是一个在遥远的地方传输量子比特的网络。我们为什么要这么做?

答:我们的想法不是取代今天的互联网,而是真正增加新的特殊功能。量子网络的各种应用只有在未来才会被发现,但我们已经知道其中的许多。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(quantum key distribution),这意味着即使攻击者拥有一台量子计算机,安全性也会保持不变。量子计算机将能够打破许多现有的安全协议。

是什么让量子密钥如此安全?

答: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”指的是两个量子位可以拥有的特殊性质,这使得所有这些成为可能。纠缠的第一个特性是“最大程度的协调”:我这里有一个量子位,你在纽约有一个量子位。我们将使用量子互联网来纠缠这两个量子位。然后,如果我在这里测量我的量子位,而你在纽约做同样的测量,即使结果不是事先确定的,我们也会得到同样的结果。因此,你可以直观地认为量子互联网非常适合需要协调的任务,因为量子纠缠的第一个特点。

现在,考虑到这是最大程度的协调,你可能会说,“嘿,如果这种纠缠能被数百人分享岂不是很棒?”但这实际上是不可能的。所以纠缠的第二个特征是它本质上是私有的。如果我这里的量子位和你纽约的量子位纠缠在一起,那么我们知道没有其他东西可以分享这种纠缠。这就是为什么量子通信对于需要安全性的问题如此有效。

问:作为量子通信最简单的应用之一,量子密钥早在20世纪20年代初就可以用于你正在构建的演示网络。未来可能会有哪些更高级的应用?

答:新的远程计算能力将成为可能。假设你有一个专有的材料设计,并且想在模拟中测试它的特性,量子计算机将会比经典计算机做得更好。但是正如你所能想象的,不是每个人都会在他们的客厅里有一台量子计算机。一种方法是你把你的材料设计发给我,我会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,但是现在我也知道你们专利材料的设计。量子网络的一个特点是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转移到我强大的量子计算机上。你可以使用这种方法,这样我的量子计算机在计算时就不能理解你的材料设计。

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,这将有许多应用。量子互联网也可以通过组合远程望远镜来制造更好的望远镜。进入望远镜1的光粒子的状态通过量子纠缠传输到望远镜2,然后它们与望远镜2的光结合。

问:你也在模拟未来的量子互联网。为什么有必要?

答:我们最近建立了一个非常广泛的模拟平台,现在正在一台超级计算机上运行。有了这个平台,我们可以探索不同的量子网络结构,了解难以通过分析预测的性质。通过这种方式,我们希望找到一种可扩展的设计,使量子通信能够在整个欧洲传播。

网络的不可预测性一直吸引着我。计算机非常有趣,但我真正关心的是将数据从一个点传输到另一个点。这就是我开始进入黑客领域的原因,也是我开始对经典互联网感兴趣并开始接触它的原因。从根本上说,很难掌握网络中发生的事情,因为有太多没有特色的事情。例如,如果您想发送消息,您无法准确预测可能需要多长时间。消息可能会丢失,计算机可能会崩溃,计算机可能运行得太慢,数据可能会损坏。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。

问:在你成为一名好黑客之前,你是一名坏黑客吗?

这不是我们在面试中可以谈论的话题!我认为那时的世界更好。但是我什么都不承认,哈哈。

问:你为什么决定放弃成为黑客,成为科学家?

我知道黑客行为听起来很刺激,但是我已经做了一段时间了。当然有一种方法可以改进,但这是一样的。我感到无聊,决定探索一些新的冒险。然后我发现了量子信息论,这非常有趣。

问:你证明的量子信息定理之一是噪声存储定理。这是什么定理?这对量子通信有什么意义吗?

答:噪声存储定理是一种在物理假设下的密码学。在古典世界里,人们经常做一个计算假设。例如,假设很难确定大量的质因数,如果这个假设成立,那么我的协议是安全的。这些安全证书是有效和广泛的,但是人们应该意识到他们将来可能会失败。如果有人发明了一种智能算法来解决未来安全性所基于的计算问题,安全性可能会被追溯性地破坏。例如,当我们有量子计算机时,它们将能够分解大量数据,因此基于分解的安全性将被破坏。如果今天有人记录了你的信息,他们可能会在以后解密。

噪声存储是关于:我们能不能做出一个物理假设,即它不能追溯性地被打破?物理假设是很难在没有噪声的情况下存储大量量子态,这只需要在很短的时间内实现。如果我假设你现在只能存储100万个噪声量子位,那么我可以处理我的协议参数,并通过发送比100万个噪声量子位所能捕获的更多的信息来提高安全性。这是非常有效的,因为如果你明天购买200万量子比特的量子存储器,那就太晚了,毕竟信息已经安全地发送出去了。

这将允许我们在量子通信中实现各种协议。例如,两个人想在不泄露密码的情况下互相比较。这与我们现在使用自动取款机输入密码的方式不同——相反,我会在自己的设备上输入密码,而且密码永远不会泄露到自动取款机上。在噪声存储的假设下,该协议成为可能。

问:对量子互联网的追求有可能培养对自然规律的基本理解——即边做边学的科学方法吗?

答:科学界有时会判断,有些问题是根本性的,有些是普通的。我认为把人们真正能使用的东西带到现实世界中从来都不是普通的事情。这非常困难。从“我有一个好主意,让我们在白板上讨论它”到我现在使用的手机,这绝对是一个令人兴奋的进步。有了量子互联网,我们试图从头开始,从头开始。从早期的实验室实验到我们试图在荷兰建立的网络,再到实验室外非常有效、可用和可玩的东西。这些都是由不知道物理原理的人做的。如果系统的一部分已经存在,我们可以说,“现在我们必须改进它。”但是从零到第一个版本的过程是非常巨大的。

这样做,我认为我们将在几个方面有一个更基本的理解。我们将通过制作这些网络来了解更多的物理知识,但目前我们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,它们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。

但我也认为有了这样一个网络,我们可以获得很多关于创造力和社会科学的信息——也就是说,人们将如何使用这些网络。如果你看看经典的互联网历史,人们只会想到我们会用它来发送一些文件。太棒了。但是人们变得更有创造力了。

我认为很难为所有这些任务设定一个时间表,但是在你的有生之年,你想看看你所说的量子互联网吗?

我将对这一切保持乐观。是的,我希望看到它。

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