（文章來源：網(wǎng)絡(luò)整理）

今天的互聯(lián)網(wǎng)是黑客的樂園。從不安全的通信連接到云中的數(shù)據(jù)保護不足，漏洞無處不在。但是，如果量子物理學(xué)家們有他們自己的方法，這些弱點很快就會消失。他們想要建立一個量子網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)中，信息的創(chuàng)建、存儲和移動都以一種反映量子世界奇異行為的方式進行。從“經(jīng)典”網(wǎng)絡(luò)的諸多限制中解放出來，這些系統(tǒng)可以提供一定程度的隱私、安全和計算能力，這在今天的互聯(lián)網(wǎng)上是不可能實現(xiàn)的。

盡管完全實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)仍是一個遙遠的愿景，但最近在傳輸、存儲和操縱量子信息方面取得的突破，已使一些物理學(xué)家相信，一個簡單的原理驗證迫在眉睫。從幫助光子改變顏色的鉆石和晶體中的缺陷，到充當幽靈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無人機，研究人員正在利用各種奇異材料和技術(shù)進行量子探索。許多人說，第一階段將是使用標準光纖連接三個至少相距50至100公里的小型量子設(shè)備的量子網(wǎng)絡(luò)。

QKD涉及到一方，比如Alice，將量子位發(fā)送給Bob, Bob測量量子位(Alice和Bob首次出現(xiàn)在1978年關(guān)于量子密碼學(xué)的論文中，現(xiàn)在已經(jīng)成為量子網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的占位符)。只有在特定類型的測量中，Bob才會得到與Alice在量子位元中編碼的相同的值。Alice和Bob可以通過一個公共通道比較注釋，以確定這些度量值是什么，而不需要共享量子位值。然后，它們可以使用這些私有值創(chuàng)建一個秘密共享密鑰來加密經(jīng)典消息。至關(guān)重要的是，如果入侵者攔截了量子位元，Alice和Bob就能探測到入侵，丟棄量子位元，然后開始——理論上一直持續(xù)到?jīng)]有人竊聽量子通道為止。

去年7月，使用量子密鑰分發(fā)密鑰的速度達到了創(chuàng)紀錄的每秒6.5千比特，使用的光纖長度超過400公里。相比之下的商用系統(tǒng)，比如總部位于日內(nèi)瓦的公司銷售的系統(tǒng)，可以提供超過50公里的QKD光纖。

理想情況下，量子網(wǎng)絡(luò)將比QKD做得更多。下一步將是直接在節(jié)點之間傳輸量子態(tài)。雖然使用光子偏振編碼的量子位元可以通過光纖發(fā)送(就像QKD所做的那樣)，但是使用這樣的量子位元來傳輸大量的量子信息是有問題的。光子可能在傳輸過程中被散射或吸收，也可能只是無法在探測器中注冊，導(dǎo)致傳輸通道不可靠。幸運的是，有一種更可靠的方法來交換量子信息——通過使用量子系統(tǒng)的另一個特性，稱為糾纏。

當兩個粒子或量子系統(tǒng)相互作用時，它們會相互糾纏。一旦糾纏，兩個系統(tǒng)都用一個量子態(tài)來描述，所以測量一個系統(tǒng)的狀態(tài)會立即影響另一個系統(tǒng)的狀態(tài)，即使它們相距幾公里。愛因斯坦把糾纏稱為“遠距離的幽靈行為”，它是量子網(wǎng)絡(luò)的寶貴資源。想象兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，Alice和Bob，每個節(jié)點由一些孤立的物質(zhì)組成(編碼和存儲量子態(tài)的最明顯和最可靠的基板)。這種“物質(zhì)節(jié)點”可以通過一個包含糾纏光子交換的過程相互糾纏。

使用糾纏的物質(zhì)節(jié)點，Alice可以利用她的糾纏向Bob發(fā)送一個完整的量子位元，而不需要實際傳輸一個物理量子位元，這使得傳輸簡單而安全。這里的關(guān)鍵是，一旦節(jié)點之間建立了糾纏，將量子位元從Alice傳輸?shù)紹ob的協(xié)議就是確定的。但是要在長距離的情況下做到這一點，首先需要分配糾纏——通常是通過標準的光纖網(wǎng)絡(luò)。今年1月，蘭寧在因斯布魯克的團隊報告說，他們創(chuàng)造了50多公里長的光纖在物質(zhì)和光之間產(chǎn)生糾纏的記錄。

對于物質(zhì)，蘭寧的研究小組使用了一種所謂的“捕獲離子”——一種利用電磁場被限制在光學(xué)腔內(nèi)的單個鈣離子。當用激光操作時，離子最終將量子比特編碼為兩種能量狀態(tài)的疊加，同時還發(fā)射出光子，量子比特編碼為偏振狀態(tài)。離子和光子中的量子位元糾纏在一起。任務(wù)是：通過光纖發(fā)送光子，同時保持糾纏。

不幸的是，被捕獲的離子發(fā)出的光子波長為854納米，這在光纖中不會持續(xù)很長時間。因此，蘭寧的團隊將發(fā)射出的光子發(fā)射到一種叫做非線性晶體的東西中，然后用強大的激光泵浦。整個相互作用將入射光子轉(zhuǎn)換成另一種“電信”波長，這種波長非常適合光纖。因斯布魯克研究小組隨后將光子注入一段50公里長的光纖中。一旦到達另一端，他們測試了離子和光子，看它們是否仍然糾纏在一起。他們。

盡管他們還沒有通過任何長度的光纖傳輸一個鉆石糾纏的遠程波長光子，Hanson相信他們可以做到，然后使用糾纏交換將鉆石NV中心纏繞在30公里之外。他們的下一個目標是利用荷蘭三個城市之間現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施，將節(jié)點纏結(jié)在一起。在荷蘭，可以接受這種最先進的實驗。

因斯布魯克和代爾夫特的研究小組都只研究一種物質(zhì)來存儲和糾纏量子位元。但現(xiàn)實生活中的量子網(wǎng)絡(luò)可能在每個節(jié)點上使用不同類型的材料，這取決于手頭的具體任務(wù)——例如量子計算或量子傳感。量子節(jié)點，除了操縱量子位元之外，可能還必須將它們存儲在所謂的量子存儲器中，時間很短。

光子波長也被設(shè)計用來交叉連接不同的傳輸系統(tǒng)：一端是光纖(1535 nm)，另一端是衛(wèi)星通信(794 nm)。后者很重要，因為如果量子網(wǎng)絡(luò)要走向洲際，糾纏將需要通過衛(wèi)星來分布。2017年，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的團隊利用中國量子衛(wèi)星“墨子”)在青藏高原地面站和西南地區(qū)地面站之間分配糾纏。

光子波長也被設(shè)計用來交叉連接不同的傳輸系統(tǒng)：一端是光纖(1535 nm)，另一端是衛(wèi)星通信(794 nm)。后者很重要，因為如果量子網(wǎng)絡(luò)要走向洲際，糾纏將需要通過衛(wèi)星來分布。2017年，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的團隊利用中國量子衛(wèi)星“墨子”)在青藏高原地面站和西南地區(qū)地面站之間分配糾纏。

在邁向全面運作的量子網(wǎng)絡(luò)的過程中，挑戰(zhàn)依然存在。可靠的量子存儲器就是其中之一。另一個重要的缺失部分是使用所謂的量子中繼器將量子鏈路擴展到任意長距離的能力。量子態(tài)不能像經(jīng)典信息那樣簡單地復(fù)制。量子節(jié)點將需要復(fù)雜的量子邏輯門，以確保在與環(huán)境相互作用造成損失的情況下仍然保持糾纏。蘭寧表示：“這肯定是下一個重大挑戰(zhàn)之一。”

盡管如此，建立一個量子網(wǎng)絡(luò)的基本要素已經(jīng)就位，這個網(wǎng)絡(luò)至少可以連接三個城市，或許最終可以連接整個世界。漢森說：“我們現(xiàn)在有了平臺，可以第一次探索真正的量子網(wǎng)絡(luò)。”更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)正在召喚我們。“沒有保證。如果我們成功了，我們就能做一些很酷的事情。”
（責(zé)任編輯：fqj）