訊息網絡的發展,從烽火戲諸侯到量子網絡

前言

2020 年 7 月美國公布了關於量子訊息網絡的計劃,投入大筆資金發展新一代互聯網絡,即所謂量子互聯網。本文嘗試透過回顧訊息網絡的發展及探討量子訊息傳送所能解決的現存網絡問題。

訊息傳送基本概念

所謂訊息傳送是指透過任何方法,把訊息由甲方傳送到乙方。我們每天都在跟不同的人說話,每一個對話也是訊息傳送,然而這種傳送的傳輸距離不遠,縰使你在空曠地方力竭聲嘶地叫喊,最多也只能傳送一兩公里。要增加傳送距離,可以每隔一公里都安排人員站崗(增加節點),用人傳人的方式就可以把訊息傳到更遠的地方,這顯然不是個好方法,我們需要一個訊息網絡來改善傳送的效率。

烽火網絡

其實訊息網絡在三千年前的中國周朝已經出現!有聽過「烽火戲諸侯」的故事嗎?相傳周幽王為博褒姒一笑,點燃烽火召來各方諸侯帶兵救援。古人發明烽火就是想把訊息有效地傳送,守護國土邊疆的將士在沒有敵軍來襲時就閒著看看書聊聊天,烽火不會點起。當有敵軍襲擊則馬上點起烽火,相鄰地區守將看到烽火,亦隨即點起峰火。如是者,敵軍來襲的訊息傳到領土各處,將軍便可適當調動軍隊迎戰。

從烽火這個訊息傳送的例子,值得討論的網絡參數有 3 個,分別是:傳輸距離、延時和頻寬。

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傳輸距離 Transmission Distance

根據古籍記載:「凡邊城候望三十里置一烽」,古時稱 300 步為一里,大約是 450 米。30 里約為 13.5 公里,因此一個烽火台點起烽火便可以把訊息傳送到 13.5 公里外,第二個烽火台點起烽火則 27 公里,如此類推。只要不斷增加烽火台的數量(節點),便可增加傳輸距離,因此利用烽火把訊息傳至數百公里外也不是問題,對古代來說已是一個相當遠的距離了。

延時 Delay

雖說節點可以無限增加,把訊息傳送至更遠的地方,但節點相距越遠則傳輸延時越長。假設前線烽火台到兵營相距 135 公里,每個烽火台的士兵在看到前線出現烽火至到自己燃點烽火需時 3 分鐘,要把訊息傳到 135 公里外需要點燃 10 個烽火台,即 30 分鐘時間,這是否一個合理而可接受的延時呢?示乎情況而定,古代軍事家需要考慮到在 30 分鐘後才收到消息再發兵迎救,邊境守將能否支持到緩軍到達?如果套用到現代戰場,敵軍的導彈已經發射,我軍在 30 分鐘後才收到訊息,相信已錯失發射防空彈截擊的機會了。

頻寬 Bandwidth

傳統烽火台的狀態只有兩個可能性,有煙和無煙。無煙代表一切安好,有煙代表敵軍來襲。如果把這個訊息數位化,即有煙是 1,無煙是 0,烽火台要傳送的就是一個 1 Bit (位元)的訊息,這個 1 bit 訊息從一個節點到另一個節點需時 3 分鐘,即每秒傳送 1/180 bit。按照今天的說法,這就是一個 1/180 bps 或 0.0056 bps 的頻寬,也可以說烽火台可以每秒傳送 0.0056 Bit 的訊息。

有沒有辦法增加烽火台的頻寬呢?方法很簡單,只要在同一個烽火台上設立多個煙筒放煙(或稱烽),訊息豐富度即可大增。例如隋代古書記載烽火台設 4 烽,「若賊少,舉二烽;來多,舉三烽;大逼,舉四烽」,由此可見由沒有烽火至點燃全部 4 烽已可傳送 5 種不同的訊息,分別是 0:無敵軍;1:警戒;2:少許敵軍;3:敵軍較多;4:大量敵軍,用此方式傳送訊息頻寬大增 5 倍至 0.028 bps (或 5/180 bps)。烽火台後來還可透過燃點不同的物料來產生不同顏色的煙,如黑煙、白煙、黃煙等來代表著不同訊息,甚至可以同時燃點不同顏色組合來傳送更加複雜的訊息。

驛站網絡

古代另一個傳送訊息的方法為在各地建立驛站。當訊息複雜得無法用烽火表達,則可把訊息用文字或圖像記錄下來,透過騎手把信件在驛站之間傳遞。可是就算騎手們日以繼夜趕路,信息要由源頭送至目的地可能需幾天時間才能到達。驛站網絡雖然延時高,卻可傳送大量訊息,而且有保密作用。這種驛站通訊模式演變成現今的郵政服務和速遞服務。

現代網絡發展

時至今日,訊息已被數位化,以電子郵件、網頁或檔案等形式在互聯網上傳送。現代網絡的傳送媒介大致分為銅線、光纖及無線三種。

銅線網絡

自從電流發明後,我們很輕易地通過高速改變電流的通電狀態(有電或無電)來傳送訊息,現時銅線已可輕易達到 100Gbps 甚至更高的頻寬。然而金屬長度越長則電阻值越高,高電阻值阻礙電流傳導,限制了銅線的傳輸距離。如讀者有興趣了解更多關於銅線網絡,請參考 Copper Twisted Network Cable 銅制雙絞線

光纖網絡

如要突破銅線的傳輸距離極限,可使用光纖,透過有光和無光的高速交替,可把訊息傳到比銅線更遠的地方。而光的速度也令光纖網絡延時極低,如讀者有興趣了解更多關於光纖線網絡,請參考 Optical Fiber Cable 光學纖維網絡線

無線網絡

另一款普遍用於現代網絡的媒介為電磁波傳送,包括 Wi-fi 網絡、4G 或 5G 電訊訊號、甚至人造衛星訊號等,透過電磁波訊號可以把訊息在地表上傳到超過 100 公里以外,或傳到太空之中,適合無法佈線的環境,雖然傳輸頻寬不及有線網絡,卻可做到低延時並且突破地域限制。由於電磁波與光特性相同,因此電磁波亦能達到光速的低延時傳送。

現代網絡所遇到的問題

利用傳統物理概念研發的科技來傳統訊息,包括有線或無線電技術,始終無法突破光速限制。以火星登陸車傳送相片到地球為例子,由於火星距離地球最遠可達 4 億公里,訊息以電磁波傳送需要 22 分鐘才能送抵地球。如果訊息是由距離更遠的太陽系邊緣開始傳送,更要經數小時後才能抵達地球,這絕對大大減低了人類對宇宙探索的步伐。另一方面,無論使用任何通訊媒介,訊息都有可能被截取竊聽,就算使用現今最強的加密技術,只要收集足夠的數據包及有運算能力足夠快速的電腦,理論上加密訊息仍可被破解及還原。如讀者對訊息加密及解密感興趣,可以參考 Cryptography 密碼學

未來通訊 – 量子網絡

鬼魅的量子

19 世紀末,科學家發現光線帶有光子,光子就像是一個個細小的能量包,把能量傳送,例如:太陽的熱力就是透過這些光子傳送到地球,讓我們感到溫暖。後來,科學家發現任何物質都有相同的性質,包括原子、電子都由這些能量包構成,命名為量子。專門研究量子的科學理論,稱為量子力學。量子力學違反人類的直觀及傳統物理理論,艱深而且難以理解。筆者也不是物理專家,只能解說利用量子傳送訊息的基本原理,恕未能闆述背後的科學理論。

量子的不確定性

在沒有被觀察的情況下,量子的狀態是無法確定的,也許你會聽過一個叫「薜丁格的貓」的思想實驗。如果我們把一隻小貓關進一個密閉的盒子,盒中有一支槍對準小貓,這支槍的扳機是由原子衰變扣動的。因為原子的衰變基於量子的狀態,而在盒子封閉的情況下量子的狀態是無法確定的,或同時處於多種狀態,稱為疊加狀態,這隻貓所處的狀態也稱為死與活的疊加狀態,直至盒子打開才能確認。

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量子自旋

量子其中一個狀態稱為自旋,可能是向上旋轉,也可能是向下旋轉。基於不確定性,在沒有被觀察的情況下,量子的自旋方向是無法確定的。

量子組及量子糾纏

科學家有能力把兩個量子組合起來編成量子組,這兩個量子的量子狀態必然守衡。以自旋狀態為例,其中一個量子的自旋向上,另一個量子的自旋必然向下,稱為量子糾纏。量子糾纏是沒有距離限制的,科學家已經能夠把同一量子組的兩個量子帶到地球上的兩個不同的實驗室,並證實量子糾纏的確存在。

利用量子網絡傳送訊息

利用量子糾纏以及不確定的特性,只要我們把未知自旋方向量子組的兩顆量子帶到 A 和 B 兩個地方,在 A 處透過科學方法把量子設定為上旋,B 方量子必然為下旋,反之亦然。如是者便可把 1 Bit 訊息透過量子糾纏傳送。量子糾纏令人驚嘆的地方是沒有地域限制,就算把量子組裡的一顆量子留在地球,另一顆帶到另一個銀河系,訊息亦能以超越光速傳送,無遠弗屆。而且量子糾纏並無經過任何媒介,也解決了訊息被截取的問題。

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2021-01-09

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