目录

前言
讯息传送基本概念
烽火网络
  传输距离 Transmission Distance
  延时 Delay
  频宽 Bandwidth
驿站网络
现代网络发展
  铜线网络
  光纤网络
  无线网络
现代网络所遇到的问题
未来通讯 - 量子网络
  鬼魅的量子
  量子的不确定性
  量子自旋
  量子组及量子纠缠
  利用量子网络传送讯息

前言

2020 年 7 月美国公布了关於量子讯息网络的计划,投入大笔资金发展新一代互联网络,即所谓量子互联网。本文尝试透过回顾讯息网络的发展及探讨量子讯息传送所能解决的现存网络问题。

讯息传送基本概念

所谓讯息传送是指透过任何方法,把讯息由甲方传送到乙方。我们每天都在跟不同的人说话,每一个对话也是讯息传送,然而这种传送的传输距离不远,縰使你在空旷地方力竭声嘶地叫喊,最多也只能传送一两公里。要增加传送距离,可以每隔一公里都安排人员站岗(增加节点),用人传人的方式就可以把讯息传到更远的地方,这显然不是个好方法,我们需要一个讯息网络来改善传送的效率。

烽火网络

其实讯息网络在三千年前的中国周朝已经出现!有听过「烽火戏诸侯」的故事吗?相传周幽王为博褒姒一笑,点燃烽火召来各方诸侯带兵救援。古人发明烽火就是想把讯息有效地传送,守护国土边疆的将士在没有敌军来袭时就闲着看看书聊聊天,烽火不会点起。当有敌军袭击则马上点起烽火,相邻地区守将看到烽火,亦随即点起峰火。如是者,敌军来袭的讯息传到领土各处,将军便可适当调动军队迎战。

从烽火这个讯息传送的例子,值得讨论的网络参数有 3 个,分别是:传输距离丶延时和频宽。

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传输距离 Transmission Distance

根据古籍记载:「凡边城候望三十里置一烽」,古时称 300 步为一里,大约是 450 米。30 里约为 13.5 公里,因此一个烽火台点起烽火便可以把讯息传送到 13.5 公里外,第二个烽火台点起烽火则 27 公里,如此类推。只要不断增加烽火台的数量(节点),便可增加传输距离,因此利用烽火把讯息传至数百公里外也不是问题,对古代来说已是一个相当远的距离了。

延时 Delay

虽说节点可以无限增加,把讯息传送至更远的地方,但节点相距越远则传输延时越长。假设前线烽火台到兵营相距 135 公里,每个烽火台的士兵在看到前线出现烽火至到自己燃点烽火需时 3 分钟,要把讯息传到 135 公里外需要点燃 10 个烽火台,即 30 分钟时间,这是否一个合理而可接受的延时呢?示乎情况而定,古代军事家需要考虑到在 30 分钟後才收到消息再发兵迎救,边境守将能否支持到缓军到达?如果套用到现代战场,敌军的导弹已经发射,我军在 30 分钟後才收到讯息,相信已错失发射防空弹截击的机会了。

频宽 Bandwidth

传统烽火台的状态只有两个可能性,有烟和无烟。无烟代表一切安好,有烟代表敌军来袭。如果把这个讯息数位化,即有烟是 1,无烟是 0,烽火台要传送的就是一个 1 Bit (位元)的讯息,这个 1 bit 讯息从一个节点到另一个节点需时 3 分钟,即每秒传送 1/180 bit。按照今天的说法,这就是一个 1/180 bps 或 0.0056 bps 的频宽,也可以说烽火台可以每秒传送 0.0056 Bit 的讯息。

有没有办法增加烽火台的频宽呢?方法很简单,只要在同一个烽火台上设立多个烟筒放烟(或称烽),讯息丰富度即可大增。例如隋代古书记载烽火台设 4 烽,「若贼少,举二烽;来多,举三烽;大逼,举四烽」,由此可见由没有烽火至点燃全部 4 烽已可传送 5 种不同的讯息,分别是 0:无敌军;1:警戒;2:少许敌军;3:敌军较多;4:大量敌军,用此方式传送讯息频宽大增 5 倍至 0.028 bps (或 5/180 bps)。烽火台後来还可透过燃点不同的物料来产生不同颜色的烟,如黑烟丶白烟丶黄烟等来代表着不同讯息,甚至可以同时燃点不同颜色组合来传送更加复杂的讯息。

驿站网络

古代另一个传送讯息的方法为在各地建立驿站。当讯息复杂得无法用烽火表达,则可把讯息用文字或图像记录下来,透过骑手把信件在驿站之间传递。可是就算骑手们日以继夜赶路,信息要由源头送至目的地可能需几天时间才能到达。驿站网络虽然延时高,却可传送大量讯息,而且有保密作用。这种驿站通讯模式演变成现今的邮政服务和速递服务。

现代网络发展

时至今日,讯息已被数位化,以电子邮件丶网页或档案等形式在互联网上传送。现代网络的传送媒介大致分为铜线丶光纤及无线三种。

铜线网络

自从电流发明後,我们很轻易地通过高速改变电流的通电状态(有电或无电)来传送讯息,现时铜线已可轻易达到 100Gbps 甚至更高的频宽。然而金属长度越长则电阻值越高,高电阻值阻碍电流传导,限制了铜线的传输距离。如读者有兴趣了解更多关於铜线网络,请参考 Copper Twisted Network Cable 铜制双绞线

光纤网络

如要突破铜线的传输距离极限,可使用光纤,透过有光和无光的高速交替,可把讯息传到比铜线更远的地方。而光的速度也令光纤网络延时极低,如读者有兴趣了解更多关於光纤线网络,请参考 Optical Fiber Cable 光学纤维网络线

无线网络

另一款普遍用於现代网络的媒介为电磁波传送,包括 Wi-fi 网络丶4G 或 5G 电讯讯号丶甚至人造卫星讯号等,透过电磁波讯号可以把讯息在地表上传到超过 100 公里以外,或传到太空之中,适合无法布线的环境,虽然传输频宽不及有线网络,却可做到低延时并且突破地域限制。由於电磁波与光特性相同,因此电磁波亦能达到光速的低延时传送。

现代网络所遇到的问题

利用传统物理概念研发的科技来传统讯息,包括有线或无线电技术,始终无法突破光速限制。以火星登陆车传送相片到地球为例子,由於火星距离地球最远可达 4 亿公里,讯息以电磁波传送需要 22 分钟才能送抵地球。如果讯息是由距离更远的太阳系边缘开始传送,更要经数小时後才能抵达地球,这绝对大大减低了人类对宇宙探索的步伐。另一方面,无论使用任何通讯媒介,讯息都有可能被截取窃听,就算使用现今最强的加密技术,只要收集足够的数据包及有运算能力足够快速的电脑,理论上加密讯息仍可被破解及还原。如读者对讯息加密及解密感兴趣,可以参考 Cryptography 密码学

未来通讯 - 量子网络

鬼魅的量子

19 世纪末,科学家发现光线带有光子,光子就像是一个个细小的能量包,把能量传送,例如:太阳的热力就是透过这些光子传送到地球,让我们感到温暖。後来,科学家发现任何物质都有相同的性质,包括原子丶电子都由这些能量包构成,命名为量子。专门研究量子的科学理论,称为量子力学。量子力学违反人类的直观及传统物理理论,艰深而且难以理解。笔者也不是物理专家,只能解说利用量子传送讯息的基本原理,恕未能板述背後的科学理论。

量子的不确定性

在没有被观察的情况下,量子的状态是无法确定的,也许你会听过一个叫「薜丁格的猫」的思想实验。如果我们把一只小猫关进一个密闭的盒子,盒中有一支枪对准小猫,这支枪的扳机是由原子衰变扣动的。因为原子的衰变基於量子的状态,而在盒子封闭的情况下量子的状态是无法确定的,或同时处於多种状态,称为叠加状态,这只猫所处的状态也称为死与活的叠加状态,直至盒子打开才能确认。

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量子自旋

量子其中一个状态称为自旋,可能是向上旋转,也可能是向下旋转。基於不确定性,在没有被观察的情况下,量子的自旋方向是无法确定的。

量子组及量子纠缠

科学家有能力把两个量子组合起来编成量子组,这两个量子的量子状态必然守衡。以自旋状态为例,其中一个量子的自旋向上,另一个量子的自旋必然向下,称为量子纠缠。量子纠缠是没有距离限制的,科学家已经能够把同一量子组的两个量子带到地球上的两个不同的实验室,并证实量子纠缠的确存在。

利用量子网络传送讯息

利用量子纠缠以及不确定的特性,只要我们把未知自旋方向量子组的两颗量子带到 A 和 B 两个地方,在 A 处透过科学方法把量子设定为上旋,B 方量子必然为下旋,反之亦然。如是者便可把 1 Bit 讯息透过量子纠缠传送。量子纠缠令人惊叹的地方是没有地域限制,就算把量子组里的一颗量子留在地球,另一颗带到另一个银河系,讯息亦能以超越光速传送,无远弗届。而且量子纠缠并无经过任何媒介,也解决了讯息被截取的问题。