量子网络时代已至

斯蒂芬妮·韦纳(Stephanie Wehner)是试图在欧洲建立一个真正量子网络的团队成员。

资料来源:马塞尔·沃格姆自然保护协会

斯蒂芬妮·韦纳在成为理论物理学家之前是一名黑客。像这个领域的大多数人一样，她从小就开始自学。15岁时，Wehner用自己的积蓄买了第一台拨号调制解调器，并在德国维尔茨堡他父母的家里使用。20岁时，她获得了足够的“街头信誉”，并在荷兰阿姆斯特丹找到了一份工作。这是一个由黑客伙伴创建的互联网提供商。

几年后，当韦纳成为网络安全专家时，她进入大学学习。在那里，韦纳了解到，量子力学提供了当今网络非常缺乏的东西——建立牢不可破的通信系统的潜力。现在，韦纳已经把他过去的迷恋变成了一个新的理想。她想彻底改变互联网。

多年来，量子粒子以不确定状态存在的能力一直被用来加强数据加密。但是现在，维尔纳和代尔夫特科技大学的其他研究人员提出，他们可以用量子力学做更多的事情——利用大自然的神秘能力来连接或缠绕遥远的物体，并在两者之间传递信息。韦纳说，起初，所有这些听起来都很理论化。现在，“人们有希望实现它们。”

量子密钥

量子通信模式的最早提出可以追溯到20世纪70年代。斯蒂芬·威斯纳，当时是哥伦比亚大学的一名年轻物理学家，从量子力学最基本的原理之一中发现了这一潜能:如果系统不改变，它的性质就无法测量。

威斯纳认为信息可以被加密成物体的状态，比如分离的原子。原子的“旋转”可以上升或下降——就像经典比特中的0和1一样，但也可以同时处于两种状态。现在，这种量子信息单元通常被称为量子位。威斯纳认为，由于量子位的属性无法在不改变其状态的情况下进行测量，因此不可能产生精确的拷贝或“克隆”它们。否则，人们只能通过测量“克隆”来提取关于他们状态的信息，而不会影响原始的量子位。这一禁令后来被称为量子不可克隆定理，并被证明是安全领域的一大福音，因为黑客无法在不留下痕迹的情况下提取量子信息。

1984年，受威斯纳的启发，来自加拿大蒙特利尔大学的IBM计算机科学家查尔斯·贝内特和吉尔·布拉萨尔提出了一个聪明的计划，让两个用户可以生成一个只有他们自己知道的牢不可破的加密密钥。该计划依赖于这样一个事实，即光可以被极化，从而电磁波在水平面或垂直面上振荡。用户将随机的1和0序列转换成在两种极化状态下加密的量子密钥，并将它们发送给另一个人。接收器逐步测量密钥，并确保传输不受“窃听者”测量的干扰。出于对密钥安全性的信任，双方可以将由经典位组成的任何信息(如图像)拼凑在一起，并像通过传统网络或任何其他渠道传输的任何其他密文一样发送出去。

1989年，班尼特带领团队首次验证了这种“量子密钥分配”(QKD)。如今，使用类似方案的QKD设备已经投入商业使用，通常出售给金融或*机构。例如，2001年在瑞士日内瓦成立的身份量化组织(ID Quantique)建立了一个量子连接，以保护该国十多年来的选举结果。

无形传输

在过去十年左右的时间里，马里兰大学物理学家克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe)和其他人发起的实验已经证明了构建一个真正的量子网络所需的一些基本条件，比如将量子位加密的信息从一个地方传输到另一个地方。

为了理解这种远程传输是如何工作的，想象一下两个用户:爱丽丝和鲍勃。爱丽丝有一个量子位，可能是被俘获的离子或其他量子系统，她把储存在其中的信息发送给鲍勃。碰巧的是，爱丽丝和鲍勃有两个纠缠在一起的“代理”粒子，也是量子位。如果爱丽丝可以用“代理”粒子缠住她的量子位，量子位也会和鲍勃的粒子缠在一起。为了达到这个目的，爱丽丝对她的两个粒子进行了某种联合测量。后来，她与鲍勃分享了这一测量结果(常见的传统数据)。为了完成传输过程，鲍勃利用这些信息操纵他的粒子，使它们最终获得最初由爱丽丝量子比特拥有的状态。

出于实际原因，爱丽丝和鲍勃如何获得纠缠的“代理”粒子并不重要。例如，它们可以是装在公文包里的单个原子，也可以是通过第三方发送给双方的光子。去年，中国利用墨子量子卫星实验向其两个地面站发送了纠缠光子对，两个地面站之间的距离达到了创纪录的1200多公里。爱丽丝和鲍勃还可以发送光子在第三个位置相互作用，从而实现量子比特纠缠。

量子隐形传态的优点是量子信息在技术上不会沿着网络传播。然而，通过的光子仅用于建立爱丽丝和鲍勃之间的联系，从而确保量子信息可以在以后传输。如果一对纠缠光子不能建立联系，另一个就会。这意味着即使光子丢失，量子信息也不会丢失。

连接和继电器

量子网络将能够按需在任意两个用户之间产生纠缠。研究人员认为，这将包括通过光纤网络和卫星链路发送光子。然而，连接相距甚远的用户需要一种能够扩大纠缠范围的技术——它可以在用户之间沿中间点转移。

2001年，哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金和他的合作者提出了一种让这种量子中继器工作的方法。在他们的方案中，能够存储量子位并执行简单操作的小型量子计算机被用于上游和下游量子位之间的纠缠。沿着网络中的特定路径重复应用这种“纠缠交换”过程将最终在任何两个用户之间产生纠缠。

2015年，代尔夫特理工大学的实验物理学家罗纳德·汉森和他的合作者展示了如何在连接两个量子位时建立一个分支网络，这两个量子位是由钻石晶体中的单原子杂质建立的，相距1.3公里。由两个量子位释放的光子向中间站行进。在那里，它们相互作用并建立纠缠。“研究证明，人们真的可以在两个远程量子信息处理器之间建立纠缠——强大而可靠的纠缠。”麻省理工学院的物理学家赛斯·劳埃德说。

目前，研究人员正在寻找构造和操纵量子位的其他方法，包括使用悬浮在真空中的单个离子和一个系统，将原子与发射到腔室中两个镜子之间的光子配对。

像汉森的钻石系统一样，这些量子位可以用来建造量子中继器和量子计算机。幸运的是，对于那些希望提高量子通信能力的人来说，对中继器的要求可能没有成熟量子计算机那么严格。去年9月，法国巴黎狄德罗大学的量子计算研究员约尔达尼斯·克雷尼迪斯在奥地利赛菲尔德举行的量子中继器研讨会上得出上述结论。"如果你告诉实验者你需要1000个量子位，他们会嘲笑你."克雷尼迪斯说，“如果你说你需要10个，他们可能会笑得更少。”

目前，创建量子网络的前景正在成为一个系统工程问题。"从实验的角度来看，人们已经展示了量子网络的各种模块."因斯布鲁克大学的物理学家特蕾西·诺思普致力于研究室内的量子位，他说，“然而，我们都知道将这些模块集中在一个地方会有多大的挑战。”(宗华编译)

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