美國 10 年內將打造無法破解的「量子網路」,但為何超怕「中繼器」做不出來?

想像一個近乎無法破解、訊息儲存量高出傳統網路數倍的傳輸系統,這個技術將在 10 年內正式落實至美國在地網路中。美國能源局(Department of Energy, DOE)於上週四 發布藍圖 ,表示將利用量子運算的特性打造網路,「量子傳輸最棒的特性之一在於,訊息在兩地之前傳遞時,幾乎不可能遭竊取或竄改」。

美國能源局早有動作,據外媒《Science Alert》指出,DOE 於今年 2 月已攜手美國芝加哥大學,於芝加哥郊區建立長達 83 公里的量子迴圈(Quantum Loop),長度相當於台北至新竹。此量子網路更創下國內有史以來最大的陸地量子網路。

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引用自 芝加哥大學 Giphy 帳號

為什麼「量子傳輸」難以破解?

量子運算並非使用傳統 1、0 位元運算,而是使用一種可以同時是 1 與 0 的量子位元(Qubits)。量子位元具備兩種特性,其一是位元只有在檢驗當下才會顯示是 1 或是 0,好比接住拋在空中的硬幣,唯有打開手掌才會知道是正面還是反面。其二則叫態疊加原理(Superposition),概念十分簡單。假設左右手都有著未知正反面的硬幣,若你打開左手檢視發現是正面,則 Superposition 將無視右手未知狀況,使連動的右手硬幣變成反面。

透過量子位元的特性,當有駭客想竊取傳輸中的訊息,資訊很容易受影響導致壞損(funtion collapse)並且顯示出此訊息已遭暗中操作,使有心人士做事無法不露痕跡。再者,量子位元因為同時可以是 1 和 0,相比傳統 Bits 的資料承載力與密度高出許多。

「量子傳輸」落地挑戰為何?

時下資料傳輸皆使用光纖網路,利用光子乘載訊息在全世界到處來回。而由於光纖網路纖維的品質或耗損,光子容易消失不見,也就是所謂的訊號不良。中繼器(Repeater)就是偵測微弱訊號、接受並且強化後再次傳遞出去的儀器,透過中繼器便可維持網路品質不斷訊。不過量子位元無法用同一種方式處理,「你很難再接觸量子位元時不影響到它」芝加哥大學的研究人員 Awschalom 指出 ,沒有中繼器的情況下,量子位元最高只能傳遞約 160 公里的距離,對於如美國地區的全國性網路來說實在太短了。

但事情還沒這麼簡單,要做到與傳統網路一樣能透過中繼器強化訊號,量子傳輸也需要打造「量子中繼器」,而此技術難到目前並沒有人做一個可以真正落地的產品過。

量子運算擁有打破傳統產業運作模式的潛能,不談民間消費市場的使用,光是在科技研究、國防軍事上就能帶來難以想像的突破。而美國為了維持創新與科技大國,勢必得搶在全世界前跨出實驗的第一步。

參考資料來源:

uchicago News》、《Science Alert》、《美國能源部

(本文提供合作夥伴轉載,首圖來源:pixabay, CC Licensed。)


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