量子互聯(lián)網(wǎng)正在興起，量子網(wǎng)絡(luò)未來觸手可及

（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(hù)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(diǎn)很快就會(huì)消失。他們想要建立一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，信息的創(chuàng)建、存儲(chǔ)和移動(dòng)都以一種反映量子世界奇異行為的方式進(jìn)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(jì)算能力，這在今天的互聯(lián)網(wǎng)上是不可能實(shí)現(xiàn)的。

盡管完全實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)仍是一個(gè)遙遠(yuǎn)的愿景，但最近在傳輸、存儲(chǔ)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(gè)簡單的原理驗(yàn)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(dāng)幽靈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)，研究人員正在利用各種奇異材料和技術(shù)進(jìn)行量子探索。許多人說，第一階段將是使用標(biāo)準(zhǔn)光纖連接三個(gè)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(diǎn)的占位符)。只有在特定類型的測量中，Bob才會(huì)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(gè)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(gè)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(dá)到了創(chuàng)紀(jì)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(diǎn)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(yùn)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(gè)特性，稱為糾纏。

當(dāng)兩個(gè)粒子或量子系統(tǒng)相互作用時(shí)，它們會(huì)相互糾纏。一旦糾纏，兩個(gè)系統(tǒng)都用一個(gè)量子態(tài)來描述，所以測量一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)會(huì)立即影響另一個(gè)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(yuǎn)距離的幽靈行為”，它是量子網(wǎng)絡(luò)的寶貴資源。想象兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，Alice和Bob，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一些孤立的物質(zhì)組成(編碼和存儲(chǔ)量子態(tài)的最明顯和最可靠的基板)。這種“物質(zhì)節(jié)點(diǎn)”可以通過一個(gè)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(diǎn)，Alice可以利用她的糾纏向Bob發(fā)送一個(gè)完整的量子位元，而不需要實(shí)際傳輸一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)，首先需要分配糾纏——通常是通過標(biāo)準(zhǔn)的光纖網(wǎng)絡(luò)。今年1月，蘭寧在因斯布魯克的團(tuán)隊(duì)報(bào)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(duì)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(gè)鈣離子。當(dāng)用激光操作時(shí)，離子最終將量子比特編碼為兩種能量狀態(tài)的疊加，同時(shí)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(shí)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(huì)持續(xù)很長時(shí)間。因此，蘭寧的團(tuán)隊(duì)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(qiáng)大的激光泵浦。整個(gè)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(dá)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(gè)鉆石糾纏的遠(yuǎn)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(gè)目標(biāo)是利用荷蘭三個(gè)城市之間現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施，將節(jié)點(diǎn)纏結(jié)在一起。在荷蘭，可以接受這種最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)。

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(chǔ)和糾纏量子位元。但現(xiàn)實(shí)生活中的量子網(wǎng)絡(luò)可能在每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)算或量子傳感。量子節(jié)點(diǎn)，除了操縱量子位元之外，可能還必須將它們存儲(chǔ)在所謂的量子存儲(chǔ)器中，時(shí)間很短。

光子波長也被設(shè)計(jì)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?yàn)槿绻孔泳W(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(tuán)隊(duì)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(jì)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?yàn)槿绻孔泳W(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(tuán)隊(duì)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(yùn)作的量子網(wǎng)絡(luò)的過程中，挑戰(zhàn)依然存在?？煽康牧孔哟鎯?chǔ)器就是其中之一。另一個(gè)重要的缺失部分是使用所謂的量子中繼器將量子鏈路擴(kuò)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(diǎn)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(gè)重大挑戰(zhàn)之一?！?/p>

盡管如此，建立一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)的基本要素已經(jīng)就位，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)至少可以連接三個(gè)城市，或許最終可以連接整個(gè)世界。漢森說：“我們現(xiàn)在有了平臺(tái)，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?！皼]有保證。如果我們成功了，我們就能做一些很酷的事情?！?br /> （責(zé)任編輯：fqj）