当互联网走向量子

本文来自微信公众号：墨子沙龙（ID：MiciusSalon），原文作者：Gabriel Popkin，编译：wangjia，题图来自视觉中国

“数十亿美元已投入到量子计算机和传感器的研究，但许多专家认为，只有在这些设备能跨越长距离被连接在一起之时，它们才会真正得到蓬勃发展。这类似于，个人电脑从前只不过是一个名字叫的好听的打字机和游戏机而已，是网络将其跃升成为人们不可或缺的远程通信门户。”

“量子互联网可以将很多望远镜连接成具有超高分辨率的阵列，可以精确地同步时钟，可以为金融和选举提供超安全的通信网络，也可以让随时随地进行量子计算成为可能。它还可能带来超出人们目前所有想象的应用。”

以上是《科学》（Science）杂志最近一篇文章对量子互联网的描述。量子互联网将用户、量子计算、量子传感等节点连为一体，将对众多重要领域产生深刻影响：从天文、粒子等前沿基础科学，到关系每个人生存生活的经济金融领域，再到影响世界未来发展格局的量子计算等新兴技术，另外，还极可能带来目前没人能想象得到的更革命性应用。

构建全球性的量子互联网是科学家们的目标，包括中国、美国、欧洲在内的世界各国科学家们正展开竞争，努力将量子信息从实验室带到互联的真实世界。

2021年6月4日，美国《科学》杂志刊登文章《互联网走向量子》（The internet goes quantum），文章不仅谈论了量子互联网的重要性和应用前景、发展趋势以及欧美国家的战略部署，还着重阐述了我国在该领域的重要进展以及对美国形成的压力。知己知彼，方可更好地发展，因此，摘译Science文章的主要内容和观点如下。该报道分析了量子互联网的：

来自中国的压力

在量子科技领域，过去二十年间以潘建伟团队为代表的中国科学家发展迅速，取得了众多令世界瞩目的成就，特别是在量子通信网络方面，中国已经成为国际领跑者,在量子计算和模拟领域，也已经是领跑团队之一。Science文章中引用了多项中国团队的工作：

全球第一个量子科学实验卫星

首个能够传输单个纠缠光子的网络已经开始成形。中国2017年报道的一项成果是最引人瞩目的：一颗名为“墨子”的量子卫星将纠缠粒子对发送到相距1200公里的两个地面站（Science, p1110, 2017-6-16）。

这一成就给美国政府敲响了警钟，最终导致2018年美国《国家量子倡议法案》的通过，该法案经时任总统唐纳德·特朗普签署而成为法律文件，其旨在刺激美国的量子技术。美国能源部一直致力于构想美国的量子互联网，在今年4月，它进一步加大力度，宣布投入2500万美元用于量子互联网的研发，以连接国家实验室和大学。

天地一体化量子通信网络

由中国科学技术大学物理学家潘建伟领导的这个中国团队一直在继续发展他们的网络。根据Nature杂志1月份的一篇论文，使用光纤和可信中继，这一网络已经跨越4600多公里。在其他国家，一些更短距离的量子连接的可行性也得到了证实。

量子中继器是实现广域的全纠缠量子网络的关键组成部分

潘建伟团队也演示了用原子云作为量子存储的中继器。但在2019年发表于Nature Photonics的一项研究中，他的团队演示了一个完全不同方案的早期原型：通过并行光纤发送如此大量的纠缠光子，使得其中至少有一个可能在旅程中存活下来。

潘建伟说，这一方案尽管有望避免使用中继器，但那样该网络将需要至少纠缠数百个光子；他们目前的记录是12个。利用卫星产生纠缠是潘建伟团队正在开发的另一项技术，这也可以减少对中继器的需求，因为光子在自由空间中可以存活的距离要比在光纤中长得多。

正是来自中国的压力，让美国重新审视量子科技的现状及未来：美国《国家量子倡议法案》于2018年通过并成为法律文件，在随后的几年时间内，出台量子科技发展的战略蓝图，成立国家量子信息科学研究中心、以国家实验室为核心来整合全国力量，白宫政府、能源部、国家科学基金会等不断出台政策、一再增加资金投入，希望能重新取得量子科技的领先地位。

美国、欧洲的主要进展

美国将建立雏形的量子网络以追赶中国脚步

波士顿、洛杉矶和华盛顿特区正在建立雏形的量子网络，还有两个网络将把伊利诺斯州的阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室与芝加哥地区的几所大学连接起来。

欧洲科学家在全纠缠网络方面的最初探索

研究人员已经朝着全纠缠网络迈出了最初的步伐。2015年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家把两颗小钻石（金刚石NV色心体系）分别放置在校园内相距1.3公里的两处，将光子与包裹在小钻石中心的氮原子中的电子自旋纠缠在一起。然后，这些光子被发送到一个中间站，在那里它们相互作用，使得两个钻石节点纠缠起来。

这项实验创造了“可预报”量子纠缠（意味着研究人员可以确认并使用它）的距离纪录，而且这种连接持续了数微秒。

实现广域的全纠缠量子网络需要量子中继

范围更广的网络需要量子中继器来对几乎每一个信号进行复制、校正、放大和重播。虽然对于传统互联网来说，中继器是一种相对简单直接的技术，但量子中继器必须避开不可克隆定理。该定理从本质上说，量子态是不可复制的。

美国石溪大学的Figueroa利用铷蒸气来当作中继器的一个组成部分，即量子存储器。铷原子之所以引人瞩目是因为其量子内态可以通过光来设定和控制。在Figueroa的实验室里，来自晶体（能使光子频率劈裂）的纠缠光子进入各自含有1万亿量级铷原子的元件中。在那里，每个光子的信息被编码为原子的叠加，并持续了几分之一毫秒——这对量子实验来说相当不错了。

哈佛大学的Mikhail Lukin则用另一种不同的介质来建造量子中继器：包裹在钻石中的硅原子。入射光子可以轻微调整硅电子的自旋，从而产生潜在的稳定存储；在2020年发表于Nature杂志的一篇论文中，他的团队称，他们捕获和存储量子态的时间超过了五分之一秒，远远超过铷存储的时间。尽管钻石必须被冷却到绝对零度以上几分之一的温度，Lukin认为所需的冷冻机正在迅速变得小型化和高效。

在荷兰代尔夫特理工大学，Wehner和她的同事们也在推动研究钻石的方法，但他们使用的是氮原子而不是硅。上个月在Science杂志上，该团队报道了一项进展：在实验室中纠缠了三颗钻石，创造了一个微型量子网络……与现实世界量子网络的要求相比，这种距离还短得多，效率也低得多。

大多数专家认为，真正的量子中继器可能还需要几年的时间，而且最终使用的可能是当今量子计算机中常见的技术，例如超导体或离子阱，而非钻石或原子云。

这样的设备将需要捕获几乎每一个击中它的光子，并且可能需要至少几百个量子比特的量子计算机来对信号进行校正和处理。以一种阴阳相生的观念来看，更好的量子计算机可以促进量子互联网的发展，反过来，量子互联网也可以增强量子计算的威力。

量子互联网的重要性

科学可能是其第一个受益者。一个可能的用途是甚长基线干涉测量（简称：VLBI）。该方法已经连接了全球的射电望远镜，成功地创造了一个等效的巨型望远镜，其能力之强，足以对遥远星系中心的黑洞进行拍照……把分布各处的量子传感器纠缠起来，也可以为暗物质和引力波的探测带来更灵敏的探测网络。

纠缠可以使原子钟同步，防止信息在原子钟之间发送的过程中延迟和错误累积。它还可以提供一种连接量子计算机的方法，来增强它们的能力。在不久的将来，量子计算机可能会局限在每个设备拥有几百个量子比特，但如果把它们纠缠在一起，也许就能够处理更复杂的计算。

更进一步，一些人还设想了云计算的类似物，即所谓的“盲量子计算”。这一想法是说，有一天，最强大的量子计算机将位于国家实验室、大学和公司里，就像今天的超级计算机一样。药物和材料设计者或者股票交易员可能希望在不泄露程序内容的情况下，在遥远的地点远程运行量子算法。

理论上，用户可以在与远程量子计算机纠缠的本地设备上对问题进行编码。这样既利用了远程计算机的强大能力，又让远程计算机对它正在解决的问题视而不见。

“可以肯定的是，量子技术将可以做的最重要的一些事情，我们还没有想到，”芝加哥大学物理学家、美国中西部网络的领军者之一Awschalom说，“要是你认为你已经做了这些事，那也太狂妄傲慢了。”

本文来自微信公众号：墨子沙龙（ID：MiciusSalon），原文作者：Gabriel Popkin，编译：wangjia