量子互联网正在兴起，量子网络未来触手可及

（文章来源：网络整理）

今天的互联网是黑客的乐园。从不安全的通信连接到云中的数据保护不足，漏洞无处不在。但是，如果量子物理学家们有他们自己的方法，这些弱点很快就会消失。他们想要建立一个量子网络，在这个网络中，信息的创建、存储和移动都以一种反映量子世界奇异行为的方式进行。从“经典”网络的诸多限制中解放出来，这些系统可以提供一定程度的隐私、安全和计算能力，这在今天的互联网上是不可能实现的。

尽管完全实现量子网络仍是一个遥远的愿景，但最近在传输、存储和操纵量子信息方面取得的突破，已使一些物理学家相信，一个简单的原理验证迫在眉睫。从帮助光子改变颜色的钻石和晶体中的缺陷，到充当幽灵网络节点的无人机，研究人员正在利用各种奇异材料和技术进行量子探索。许多人说，第一阶段将是使用标准光纤连接三个至少相距50至100公里的小型量子设备的量子网络。

QKD涉及到一方，比如Alice，将量子位发送给Bob, Bob测量量子位(Alice和Bob首次出现在1978年关于量子密码学的论文中，现在已经成为量子网络中节点的占位符)。只有在特定类型的测量中，Bob才会得到与Alice在量子位元中编码的相同的值。Alice和Bob可以通过一个公共通道比较注释，以确定这些度量值是什么，而不需要共享量子位值。然后，它们可以使用这些私有值创建一个秘密共享密钥来加密经典消息。至关重要的是，如果入侵者拦截了量子位元，Alice和Bob就能探测到入侵，丢弃量子位元，然后开始——理论上一直持续到没有人窃听量子通道为止。

去年7月，使用量子密钥分发密钥的速度达到了创纪录的每秒6.5千比特，使用的光纤长度超过400公里。相比之下的商用系统，比如总部位于日内瓦的公司销售的系统，可以提供超过50公里的QKD光纤。

理想情况下，量子网络将比QKD做得更多。下一步将是直接在节点之间传输量子态。虽然使用光子偏振编码的量子位元可以通过光纤发送(就像QKD所做的那样)，但是使用这样的量子位元来传输大量的量子信息是有问题的。光子可能在传输过程中被散射或吸收，也可能只是无法在探测器中注册，导致传输通道不可靠。幸运的是，有一种更可靠的方法来交换量子信息——通过使用量子系统的另一个特性，称为纠缠。

当两个粒子或量子系统相互作用时，它们会相互纠缠。一旦纠缠，两个系统都用一个量子态来描述，所以测量一个系统的状态会立即影响另一个系统的状态，即使它们相距几公里。爱因斯坦把纠缠称为“远距离的幽灵行为”，它是量子网络的宝贵资源。想象两个网络节点，Alice和Bob，每个节点由一些孤立的物质组成(编码和存储量子态的最明显和最可靠的基板)。这种“物质节点”可以通过一个包含纠缠光子交换的过程相互纠缠。

使用纠缠的物质节点，Alice可以利用她的纠缠向Bob发送一个完整的量子位元，而不需要实际传输一个物理量子位元，这使得传输简单而安全。这里的关键是，一旦节点之间建立了纠缠，将量子位元从Alice传输到Bob的协议就是确定的。但是要在长距离的情况下做到这一点，首先需要分配纠缠——通常是通过标准的光纤网络。今年1月，兰宁在因斯布鲁克的团队报告说，他们创造了50多公里长的光纤在物质和光之间产生纠缠的记录。

对于物质，兰宁的研究小组使用了一种所谓的“捕获离子”——一种利用电磁场被限制在光学腔内的单个钙离子。当用激光操作时，离子最终将量子比特编码为两种能量状态的叠加，同时还发射出光子，量子比特编码为偏振状态。离子和光子中的量子位元纠缠在一起。任务是：通过光纤发送光子，同时保持纠缠。

不幸的是，被捕获的离子发出的光子波长为854纳米，这在光纤中不会持续很长时间。因此，兰宁的团队将发射出的光子发射到一种叫做非线性晶体的东西中，然后用强大的激光泵浦。整个相互作用将入射光子转换成另一种“电信”波长，这种波长非常适合光纤。因斯布鲁克研究小组随后将光子注入一段50公里长的光纤中。一旦到达另一端，他们测试了离子和光子，看它们是否仍然纠缠在一起。他们。

尽管他们还没有通过任何长度的光纤传输一个钻石纠缠的远程波长光子，Hanson相信他们可以做到，然后使用纠缠交换将钻石NV中心缠绕在30公里之外。他们的下一个目标是利用荷兰三个城市之间现有的光纤基础设施，将节点缠结在一起。在荷兰，可以接受这种最先进的实验。

因斯布鲁克和代尔夫特的研究小组都只研究一种物质来存储和纠缠量子位元。但现实生活中的量子网络可能在每个节点上使用不同类型的材料，这取决于手头的具体任务——例如量子计算或量子传感。量子节点，除了操纵量子位元之外，可能还必须将它们存储在所谓的量子存储器中，时间很短。

光子波长也被设计用来交叉连接不同的传输系统：一端是光纤(1535 nm)，另一端是卫星通信(794 nm)。后者很重要，因为如果量子网络要走向洲际，纠缠将需要通过卫星来分布。2017年，由中国科学技术大学潘建伟领导的团队利用中国量子卫星“墨子”)在青藏高原地面站和西南地区地面站之间分配纠缠。

光子波长也被设计用来交叉连接不同的传输系统：一端是光纤(1535 nm)，另一端是卫星通信(794 nm)。后者很重要，因为如果量子网络要走向洲际，纠缠将需要通过卫星来分布。2017年，由中国科学技术大学潘建伟领导的团队利用中国量子卫星“墨子”)在青藏高原地面站和西南地区地面站之间分配纠缠。

在迈向全面运作的量子网络的过程中，挑战依然存在。可靠的量子存储器就是其中之一。另一个重要的缺失部分是使用所谓的量子中继器将量子链路扩展到任意长距离的能力。量子态不能像经典信息那样简单地复制。量子节点将需要复杂的量子逻辑门，以确保在与环境相互作用造成损失的情况下仍然保持纠缠。兰宁表示：“这肯定是下一个重大挑战之一。”

尽管如此，建立一个量子网络的基本要素已经就位，这个网络至少可以连接三个城市，或许最终可以连接整个世界。汉森说：“我们现在有了平台，可以第一次探索真正的量子网络。”更复杂的网络正在召唤我们。“没有保证。如果我们成功了，我们就能做一些很酷的事情。”
（责任编辑：fqj）