顛覆認知的量子通信有多強大？或將是密碼界的又一質的飛躍

假如你剛剛截獲了英特爾，現在你必須將資料傳回中央情報局，你擁有最新的加密技術，但網絡仍有可能遭到入侵，而且你還蒙在鼓裡，你敢冒險嗎？該樣的場景可能來自間諜驚悚片或視頻遊戲，想必你在電影中也多次看見。但實際上並非完全荒謬，全球的科學家正致力於解決這個難題。

普林斯頓大學和澳大利亞國立大學的物理學家們取得了一些進展，在一篇發表在《自然物理》雜誌的文章中，他們宣布他們更接近，遠距離量子網際網路成為現實的目標了。額，你可能不太懂，我們回頭來看看量子網際網路到底是什麼。

量子網際網路，也就是利用微小粒子對信息編碼，這可能會是實現絕對安全信息傳輸的最佳手段，你也許聽說過量子計算，即利用量子比特或量子位來取代我們常規計算機中使用的0和1，量子位的特別之處就在於它們基於粒子的物理特性，如電子自旋。電子自旋方向分為上或下，但由於這是量子力學，量子力學不僅複雜而且難以想像。它的自旋方向是可以同時上下的，這就是所謂的疊加。像電子或光子這樣的粒子可以同時處於兩種相反的狀態，在我們日常生活世界中這是說不通的，但是這僅僅是奇特的量子力學的冰山一角。

在微粒的尺度上，經典的科學原理開始崩塌，事情在看似不可能的情況下發生著，但基於大量的實驗與數學推導，我們知道它們確實正在發生。所以，即使我們的大腦很難理解它，我們也必須接受，粒子可以同時處於兩種截然相反的狀態。藉助量子計算機，藉助它的奇怪特性，我們將收穫兩大好處。首先一個量子位比一個傳統的比特位可以編碼更多的信息。

例如兩個傳統的比特位可以表示四種，可能值00 01 10或11。然而每個量子位可以同時是0和1，所以兩個量子位可以一次表現四種組合，如果繼續增加量子位數目，你能夠存儲和處理的信息量將會飛速增長，用一臺300量子位的計算機，你能同時進行超過宇宙中總原子數的運算，基本上一個足夠大的量子計算機將比我們使用常規設計最好的常規超級計算機還要強大的多，這就是為什麼物理學家們自從意識到它在理論上可行後，便一直在設法實現它的原因。

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量子計算機的第二大優勢是你可以利用量子位以絕對安全的方式來發送信息，當你對信息進行加密的時候，你可以將其打亂，以便當你發送信息時，任何收聽的人都無法破譯信息。但對於你想要發送的那個人，也就是你實際希望讀取它的那個人，需要將信息解碼，所以你可以向他們發送解碼的密鑰。問題是如果有人竊聽了密鑰，他們同樣可以解密信息，密碼學家嘗試了很多方法來解決這一問題，但是它們都存在缺陷，理論上這些方法最終都會被破解。而另一方面量子計算或可成為完美的解決方案，因其有另一奇怪的特性，那就是當你測量像電子自旋之類的東西時，測量的這一行為實際上將改變電子的某些特性，所以如果你用量子衛向你朋友李華發送一個密鑰，你的死對頭小明在它們達到李華之前將其截獲下來。李華和你都能發現，在李華收到它之前有人打亂了量子位。換句話說，沒有人能夠在你不知曉的情況下竊聽你的密鑰，這是一種新型加密方式，我們可以好好利用它。

但這也意味著需要多臺量子計算機，並將它們進行遠距離連接，基本上我們要建立的是一個量子網際網路，這就是這項新研究的用武之地。我們已經搭建了龐大的全球光纖網絡，因此在構建未來的無線網絡時，我們將其搭建在現有的基礎設施上將會很棒。光纖電纜會是個不錯的選擇，因為你可以使用光子作為量子位。但其中也有兩大挑戰，首先要使用這些光纜，你需要傳輸具有特定波長的光子，其次量子位非常敏感，如果在傳輸信息之前有任何東西擾動了粒子，你將會丟失數據，所以你必須保證量子位的穩定。

我們已經發現如何利用特殊材料來儲存量子信息，足夠長的時間以使其通過一個網絡，但它們的工作波長與我們的光纜不兼容，而那些與光纜兼容的材料只能存儲不足一秒的信息，這就有點太短了。為了解決這個問題，澳大利亞團隊希望找到一種方法來延長這一時間，所以他們開始嘗試用含有鉺的晶體做實驗。鉺是一種稀土金屬，而含鉺離子的晶體可以在與光纜匹配的波長上工作，但它只能存儲短脈衝的量子信息，為了延長這一時間，團隊使用了一個7特斯拉的超強磁體，這一強度是最強大的核磁共振儀的磁性極限，磁體可以將晶體中的電子固定住，從而防止它們幹擾和破壞數據，並且它非常有效。

磁體將晶體的存儲時間增加到了1.3秒。目前，時間看似不是很長，但相比以前這已經提高了1000倍，並且這對於量子網際網路來說已經足夠了。其他專家估計，使用量子中繼器來增強信號，你存儲一秒的時間，可將信息發送到1000公裡外。

那麼我們的量子網際網路將用在哪些領域呢？用於廣播網絡目前是不可能的。首先澳大利亞團隊設置的實驗條件需要非常低的溫度才能工作——1.4凱爾文，或者說零下272攝氏度。這是相當寒冷的，且維護成本相當高。當然還需一個強力的磁場，研究人員認為他們的材料在功率較小的3特斯拉磁場中也能工作，但帶來的改變卻並非微不足道。比如用普通的核磁共振儀取代最先進的，帶來的改變也是也是顯著的。

即使我們解決了這些問題，量子網際網路也許永遠不會被拿來看視頻或是進行普通的網絡搜索，而像「量子中繼器」或「鉺晶體」，它們被預留給超級機密的場合。比如，當你希望你通信是絕對安全的時候，也許是你的銀行業務，但更可能存在於高級國際情報中，基本上就是間諜工作，但無論誰最終用到它，量子網際網路，都將成為世界密碼學的重大進步！好了，本期的分享到這裡就結束了。喜歡的來個三連鼓勵哦，我是醬油怪，我們下期再見，拜拜。