量子信息的近程和遠景(二)：到量子互聯網的6個步驟

歐盟量子技術旗艦計劃正在維也納的皇宮舉辦啟動會議，以10億歐元支持其所精挑細選的20個計劃。這是繼9月份美國動員全國之力啟動量子研發後的另一大手筆。

歐洲人認為，量子科學由歐洲萌芽，理應在此將瓜熟蒂落之際首先享受其果實。從去年10月迄今，中、美、歐相繼發動超大型量子科技研發計劃，傳統的電子、半導體強國台、日、韓要逐漸被邊緣化了！

量子科技的發展順序有其必然性。最近Wehner等於Science發表的「Quantum Internet：A vision for the road ahead」就是對未來量子科技發展的願景，預想了量子信息發展的六個步驟。

Wehner是荷蘭Delft大學的教授，而Delft大學正在構建4個城市之間的量子網路，如同大陸在北京、濟南、合肥、上海4城市之間的量子保密通信「京滬幹線」。Wehner的意見，自然是專家之言。六個步驟分述如下。

一、信任點網路(trusted-node network)：二點之間可以安全的收到由信任平台所創造的共同密鑰。現在的通信也有密鑰分享機制，叫公共密鑰架構(Public Key Infrastructure；PKI)，但是這個方法在量子計算機時代不安全，所以要以量子制量子。這個辦法其實就是量子密鑰配送(Quantum Key Distribution；QKD)。這個技術已在大陸的京滬幹線上實施。

二、準備和測量：終端用戶可以接收量子態並測量它，此階段未必牽涉到量子糾纏，使用者可以驗證密碼。這階段通訊者可以產生量子態，用光子經開放空間或經光纖傳送。雙方也可以自己產生密鑰，傳送給對方，或者將密碼以量子態傳送給遠端的機器。大陸去年於北京和奧地利之間經墨子衛星的視訊會議就是此一層次技術的具體實施。

三、量子糾纏配送網路(entanglement distribution network)：通訊的雙方可以接受到(但還沒有辦法儲存)糾纏的量子態，提供最強的通信安全保護。

四、量子記憶網路：雙方可以發送、接收並儲存糾纏的量子態，這樣的網路就可以當成雲端量子運算的基礎架構。

五、數位元容錯(few-qubit fault tolerant)的量子電腦：容錯的通用閘極可以執行數個量子位元。

六、量子計算網路：有功能完善的量子計算機。可以做分散式的量子計算，也可以用量子傳感器。這一階段我的感覺為期尚早。

量子現象其實在上世紀初就是物理學的顯學，而其後的應用並不少見，譬如半導體中電子穿過絕緣體到另一端就是利用量子穿隧效應。這一次新興的應用是利用量子態的干涉與糾纏，特別是糾纏，實驗的完全釐清還是這幾年的事。另外還有奈米科技的成熟，這讓量子態的操控成為可能。

到量子網路之路雖非一馬平川，但是遠景眺望可期。台灣的資源遠不如中、美、歐三大區塊，怎麼用自己現存的有限優勢，轉換成未來大領域的新利基，要產官學一起想一想。

後記：最近香港的無人機表演被駭，於展示一半墜海。去年我曾聽說俄國已將QKD做入電路板，插入電腦直接就可用。問到其應用，說包括無人機的控制，不要讓人奪取控制權，果不其然就真發生了。量子應用世代其實很迫切的。