（文章來源：網絡整理）

今天的互聯網是黑客的樂園。從不安全的通信連接到云中的數據保護不足，漏洞無處不在。但是，如果量子物理學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絡，在這個網絡中，信息的創建、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“經典”網絡的諸多限制中解放出來，這些系統可以提供一定程度的隱私、安全和計算能力，這在今天的互聯網上是不可能實現的。

盡管完全實現量子網絡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，到充當幽靈網絡節點的無人機，研究人員正在利用各種奇異材料和技術進行量子探索。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公里的小型量子設備的量子網絡。

QKD涉及到一方，比如Alice，將量子位發送給Bob, Bob測量量子位(Alice和Bob首次出現在1978年關于量子密碼學的論文中，現在已經成為量子網絡中節點的占位符)。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建一個秘密共享密鑰來加密經典消息。至關重要的是，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——理論上一直持續到沒有人竊聽量子通道為止。

去年7月，使用量子密鑰分發密鑰的速度達到了創紀錄的每秒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，比如總部位于日內瓦的公司銷售的系統，可以提供超過50公里的QKD光纖。

理想情況下，量子網絡將比QKD做得更多。下一步將是直接在節點之間傳輸量子態。雖然使用光子偏振編碼的量子位元可以通過光纖發送(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——通過使用量子系統的另一個特性，稱為糾纏。

當兩個粒子或量子系統相互作用時，它們會相互糾纏。一旦糾纏，兩個系統都用一個量子態來描述，所以測量一個系統的狀態會立即影響另一個系統的狀態，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”，它是量子網絡的寶貴資源。想象兩個網絡節點，Alice和Bob，每個節點由一些孤立的物質組成(編碼和存儲量子態的最明顯和最可靠的基板)。這種“物質節點”可以通過一個包含糾纏光子交換的過程相互糾纏。

使用糾纏的物質節點，Alice可以利用她的糾纏向Bob發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。這里的關鍵是，一旦節點之間建立了糾纏，將量子位元從Alice傳輸到Bob的協議就是確定的。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絡。今年1月，蘭寧在因斯布魯克的團隊報告說，他們創造了50多公里長的光纖在物質和光之間產生糾纏的記錄。

對于物質，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腔內的單個鈣離子。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的疊加，同時還發射出光子，量子比特編碼為偏振狀態。離子和光子中的量子位元糾纏在一起。任務是：通過光纖發送光子，同時保持糾纏。

不幸的是，被捕獲的離子發出的光子波長為854納米，這在光纖中不會持續很長時間。因此，蘭寧的團隊將發射出的光子發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有的光纖基礎設施，將節點纏結在一起。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來存儲和糾纏量子位元。但現實生活中的量子網絡可能在每個節點上使用不同類型的材料，這取決于手頭的具體任務——例如量子計算或量子傳感。量子節點，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。

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

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

在邁向全面運作的量子網絡的過程中，挑戰依然存在。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。量子態不能像經典信息那樣簡單地復制。量子節點將需要復雜的量子邏輯門，以確保在與環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之一。”

盡管如此，建立一個量子網絡的基本要素已經就位，這個網絡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：“我們現在有了平臺，可以第一次探索真正的量子網絡。”更復雜的網絡正在召喚我們。“沒有保證。如果我們成功了，我們就能做一些很酷的事情。”
（責任編輯：fqj）