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量子通訊突破關卡 將成下世代網路通訊主幹

  • 林育中
量子通訊主要應用在量子加密,是下世代的網路通訊主幹。將來沒有量子通訊網路整個國家立刻會變成資訊孤島。(圖片來源:Pixabay)

量子通訊(quantum communication)是量子信息(quantum information)產業中一個主要的次領域,雖然目前不如量子計算是當紅的科技顯學,但重要性可能有過之而無不及。

量子通訊主要的應用在量子加密(quantum cryptography),是下世代的網路通訊主幹。可以想像若一個國家如果沒有量子計算機可能只會在材料、製藥等領域發展相對遲滯,但是沒有量子通訊網路則整個國家立刻會變成資訊孤島。因為資訊一旦從有量子網路的地方傳入傳統網路中,馬上變的透明,所有的業務、財務往來等因而有極高的風險,沒人敢跟你有資訊往來。

美國最近正在草擬兩個法案-包括National Quantum Initiative與另一個以陸軍和海軍為主的研發計畫-以確保美國在量子信息領域發展的領先。整體來說,美國在許多量子信息領域還保有領先。譬如在量子計算中,美國的專利仍然以4:1的比數領先大陸,但是在量子通訊領域的專利,大陸自2014年後就超過美國。特別是墨子衛星在2016發射後,去年又展示了在北京與維也納之間的視訊會議,這一切令美國深感不安,所以立法以快馬加鞭推進。

儘管同為量子信息中的次領域,量子通訊可能先於量子計算進入應用階段。荷蘭Delft University正在部署4個城市之間的量子通訊網路,預計2020年可以初步展示;大陸則開始在北京、濟南、合肥、上海4個城市之間建立2,000公里長的量子通訊網路骨幹架構,雖然民用的網路預計尚需10~15年的光景。

量子信息技術的挑戰一直都是如何將多個量子位元纏繞(entanglement)起來,纏繞指的是2個以上的量子位元經過交互作用而將其量子狀態連結起來,這些纏繞的量子位元狀態-即使相互之間的距離再遠-在量測其物理特性時會呈現特殊的相關性。量子位元纏繞是一切量子信息運作的根本機制,只不過量子計算的量子位元間距離較近、數量較多;而量子通訊的量子位元間距離較遠、數量較少。而相互纏繞的量子位元數量少,難度就沒那麼高,比較容易達標。

量子位元的相互纏繞需要謹慎的維持,避免外界電、磁、熱等各種雜訊破壞纏繞-術語叫退相干(decoherence),所以量子電腦需要在極低溫下運作是目前技術條件的必然環境。量子通訊以前較大的問題是產生量子位元纏繞的速度還不如退相干的速度,量子通訊因此變得不可靠甚或不可行。

量子通訊最近突破性的進展是可以用決定性(deterministic)的方式有效率的產生纏繞態(註),講決定性是相對於量子現象天生是機率(probabilistic)的特性。方法說穿了不值錢,就是在一個時間區段內高頻率的製造纏繞態直到成功為止,這樣在一定時間內產生纏繞態就是決定性的。但是在工程和物理上需要創新,才能達到需要的效率以及纏繞態的保真度(fidelity)。在量子通訊的應用上,這是基礎區塊。

在網路通訊安全這個議題上,量子計算與量子通訊是孿生的,因為量子計算的Shor's演算法很容易破解公鑰架構(PKI)中的私鑰,不能被攔截、不能被複製的量子通訊應運而生。在加解密這個場域中,量子計算扮演的是劍、量子通訊扮演的是盾的角色。手中有劍有盾固然好,但是如果只能選擇一個,你選擇劍還是選擇盾?

註:最新突破請參考《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)

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。