量子互聯(lián)網(wǎng)究竟是什么?

2020年7月美國政府宣布了建設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)圖。這份報告稱，基于量子力學(xué)的通信系統(tǒng)是“二十一世紀(jì)最重要的技術(shù)前沿之一”，科學(xué)家計劃借此建立一個“幾乎不可破解的網(wǎng)絡(luò)”。能夠更安全地控制和傳輸信息的量子互聯(lián)網(wǎng)目前處于發(fā)展初始階段，未來將對科學(xué)、工業(yè)及國家安全相關(guān)關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。量子互聯(lián)網(wǎng)可能首先在銀行和醫(yī)療服務(wù)等行業(yè)推廣，應(yīng)用于國家安全和航空通信領(lǐng)域，最終對全球每個人的生活產(chǎn)生廣泛影響。量子互聯(lián)網(wǎng)究竟是什么？《探索》雜志的記者Dan Hurley，深入科研一線進(jìn)行了觀察，本文是他的記錄，原文標(biāo)題《The Quantum Internet Will Blow Your Mind. Here’s What It Will Look Like》。

下一代互聯(lián)網(wǎng)將依靠革命性的新技術(shù)，帶來不可破解的網(wǎng)絡(luò)和比光速更快的信息傳播。

這就是“量子伊甸園”，在紐約市以東五十多英里的布魯克海文國家實(shí)驗室里，Eden Figueroa是量子世界的先驅(qū)園丁之一，他正在播下量子互聯(lián)網(wǎng)的種子。量子互聯(lián)網(wǎng)能夠在遙遠(yuǎn)的距離上發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，工作速度不僅比現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)快，而且比光速還快，事實(shí)上，就像《星際迷航》中斯波克和柯克船長的傳送機(jī)的“遠(yuǎn)距傳送”一樣，是瞬間的。

坐在布魯克海文大學(xué)光線充足的食堂里，他那一頭齊肩的黑發(fā)正努力掙脫馬尾辮的束縛，F(xiàn)igueroa是一個土生土長的墨西哥人，也是紐約州立大學(xué)石溪分校，他試圖解釋量子互聯(lián)網(wǎng)將如何運(yùn)作。他抓起兩個塑料咖啡杯蓋、一個鹽罐、一個胡椒罐和一小杯水，開始像魔術(shù)師打牌一樣在午餐桌上移動它們。

他指著兩個蓋子說：“我這里有一個探測器，這里也有一個探測器”?！艾F(xiàn)在有許多可能性。要么這兩個放在這里”，他指著鹽罐，“要么這兩個放在那里”，對著那杯水點(diǎn)點(diǎn)頭?！叭缓蟾鶕?jù)那里發(fā)生的事情，那將是我在這里準(zhǔn)備的狀態(tài)，”他說，舉起黑胡椒罐，“那是我在這里準(zhǔn)備的?！?/p>

一頭霧水嗎？我也一樣，但別擔(dān)心。在美國、歐洲和中國，只有幾百名左右的物理學(xué)家真正理解如何利用量子物理學(xué)中一些最奇怪、最前言的方面。在這個奇怪的舞臺上，物體可以同時以兩種或兩種以上的狀態(tài)存在，稱為疊加態(tài)；它們可以在長距離內(nèi)瞬間相互作用；它們可以閃進(jìn)閃出。像Figueroa這樣的科學(xué)家想利用這種奇異的行為，并將其轉(zhuǎn)化為一個正常運(yùn)行的新時代互聯(lián)網(wǎng)，他們說，這個互聯(lián)網(wǎng)將是堅不可摧的，可以安全地發(fā)送信息，不受黑客的攻擊。

Figueroa說，他的小組已經(jīng)利用光纖基礎(chǔ)設(shè)施在石溪校區(qū)和布魯克海文校區(qū)之間傳輸了他所謂的 “偏振態(tài)”（polarization states），加起來有85英里。布魯克海文實(shí)驗室計算科學(xué)計劃主任Kerstin Kleese van Dam說，這是“世界上最大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)之一，也是美國距離最長的量子網(wǎng)絡(luò)”。

下一步， Figueroa 希望遠(yuǎn)距離傳送他的基于量子的信息，穿過長島灣，到康涅狄格州的耶魯大學(xué)。然后，他想向東50英里，利用現(xiàn)有的光纜與長島和曼哈頓連接。

Kleese Van Dam表示，雖然歐洲和中國的其他團(tuán)體擁有更多的資金，并且在技術(shù)上的研究時間更長，但在美國，“［Figueroa］在未來一兩年內(nèi)組建量子網(wǎng)絡(luò)所需的知識和設(shè)備方面處于領(lǐng)先地位?！?/p>

David Awschalom是芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院自旋電子學(xué)和量子信息教授、芝加哥量子交換所所長，他是該領(lǐng)域的傳奇人物，他稱Figueroa的工作是“一個做得非常周到和非常好的夢幻般的項目。我很少說一些東西是‘最大’的或‘最快的’?！彼f?！斑@是目前世界范圍內(nèi)構(gòu)建原型量子網(wǎng)絡(luò)的努力，作為構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的下一步?！?他說，其他構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的努力，正在日本、英國、荷蘭和中國進(jìn)行，更不用說他自己小組在芝加哥的項目了。

美國能源部在1月份宣布，將花費(fèi)高達(dá)6.25億美元資助2至5個量子研究中心，這讓推動了美國量子方面的努力。此舉是美國總統(tǒng)特朗普于2018年12月21日簽署的美國國家量子計劃的一部分。

但是，這個叫做量子互聯(lián)網(wǎng)的東西，到底是什么？它是如何運(yùn)作的呢？Figueroa著迷于他的設(shè)想，他以極具感染力的熱情向我講述他的計劃，時而大笑，仿佛這一切簡單到一個孩子（或者文科生）都能理解。我不想讓他失望，就點(diǎn)了點(diǎn)頭，假裝自己知道他到底在說什么。

在去年夏天和Figueroa一起度過了兩天，跟著他在布魯克海文的校園里和附近的石溪校園，得到了他的未來主義設(shè)備的第一手資料，與世界各地的其他物理學(xué)家交談，閱讀了幾本書，瀏覽了幾十篇文章和研究后，我開始有點(diǎn)明白了。理解地不深，類似與我弄明白了內(nèi)燃機(jī)如何運(yùn)作，或沖水馬桶是怎么運(yùn)作的，所以你也可以理解。

解開量子糾纏

Figueroa把我領(lǐng)到他在石溪實(shí)驗室的一個房間，他是量子信息技術(shù)小組的負(fù)責(zé)人，向我展示了一張大桌子，上面布滿了由小鏡子、激光器和電子器件組成的迷宮?！斑@就是我們創(chuàng)造這些攜帶疊加的光子的地方?！彼f，“然后我們可以把這些光子送進(jìn)光纖。明白么？就這么簡單?！?/p>

好吧，說起來確實(shí)簡單。

讓人好奇的是，量子互聯(lián)網(wǎng)的所有意義都可以追溯到一個實(shí)驗，這個實(shí)驗非常簡單，你可以在客廳里做。被稱為雙縫實(shí)驗（double-slit experiment），它是200多年前由英國博學(xué)家Thomas Young首次進(jìn)行的。

Young看到，當(dāng)用一束光照在一塊并排開有兩個狹縫的平面材料板上時，通過狹縫的光在面板后面的屏幕上形成了一個由暗帶和亮帶組成的干涉特性圖案。只有從兩個狹縫中發(fā)出的波，光波，才能形成這樣的圖案。Young認(rèn)為，1704年發(fā)表光的粒子理論的牛頓是錯誤的。光是以波的形式出現(xiàn)的，而不是以粒子的形式出現(xiàn)的。

但到了20世紀(jì)初，科學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)，光也是以粒子的形式出現(xiàn)的，物理學(xué)家吉爾伯特-N-路易斯稱之為光子，或者說是量子。而令人難以置信的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使單光子在雙縫板上一次一次地被送飛，另一邊仍然會出現(xiàn)干擾圖案。他們意識到，每一個粒子也是一種波，像奶油奶酪的碎片一樣散開，因此同時穿越兩個狹縫，從而在另一邊干擾自己。

想一想，一個光粒子同時在兩個地方，這意味著在一個地方撓癢癢一個粒子，它在另一個地方也會傻笑。在一個地方觀察它，應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)它的雙胞胎的一些情況。Erwin Schr?dinger稱這種現(xiàn)象為糾纏，正是Figueroa和其他研究人員現(xiàn)在利用它來發(fā)送信息的原因。簡單地說，在一個位置的粒子上添加信息，如信息或數(shù)據(jù)，將使數(shù)據(jù)出現(xiàn)在另一個位置：遠(yuǎn)程瞬間傳輸?shù)谋举|(zhì)。

但是，我問Figueroa，所有這些瘋狂的想法如何在實(shí)踐中發(fā)揮作用，用螺母和螺栓和機(jī)器設(shè)備？

“讓我告訴你，神奇的事情發(fā)生在哪里?！彼f。

量子記憶

“這只是設(shè)備和光學(xué)儀器?！彼嬖V我，指著一張大桌子上配置的激光器和鏡子陣列?！斑@就是人們所說的成人樂高?！痹谝欢?，一個激光器將高能的藍(lán)色光子瞄準(zhǔn)一個晶體，它將每個晶體分解成一對能量較低的紅色光子；所產(chǎn)生的兩個紅色光子中的每一個現(xiàn)在都與另一個糾纏在一起。Figueroa指出了光子從鏡子到鏡子的路徑?！斑@就是為什么我們有這個美麗的系統(tǒng)，這是在工作，這也是有美感的?！彼f。

一旦糾纏在一起，一個紅色光子會被短距離地送到走廊下Figueroa實(shí)驗室的探測器上，而另一個則可以被送到十幾英里外的Brookhaven國家實(shí)驗室的探測器上。不同的距離會導(dǎo)致兩個光子的到達(dá)時間稍微不同步，從而破壞它們的糾纏。為了防止這種情況發(fā)生，F(xiàn)igueroa必須找到一種方法來協(xié)調(diào)各方的到達(dá)時間，精確到亞納秒。

但怎么做呢？其他量子實(shí)驗室將他們呆在家里的光子凍結(jié)到接近絕對零度，以此來踩剎車。相比之下，F(xiàn)igueroa的創(chuàng)新在室溫下就能工作：一個一英寸長的玻璃管，里面有數(shù)萬億銣原子的霧氣。第一天早上，當(dāng)我參觀Figueroa的實(shí)驗室時，他把其中一根管子放在我手里。

“這是什么？” 我問他。

他笑著說：“量子記憶?！?/p>

Figueroa告訴我，早在他攻讀德國康斯坦茨大學(xué)博士學(xué)位時，他就曾問過教授，是否可以建立一個在室溫下工作的系統(tǒng)，而不需要昂貴、復(fù)雜的冷凍機(jī)。

“我不認(rèn)為可能?！庇腥烁嬖V他?！暗憧梢宰C明我錯了?！?/p>

于是，他就這么做了。通過將光子從一系列精心放置的鏡子上彈射出去，并用激光網(wǎng)絡(luò)轟擊銣原子的霧氣，F(xiàn)igueroa發(fā)現(xiàn)，他可以調(diào)整糾纏光子的波長，以廣播銣霧中的電子可以接收的信號。瞧！ 光子的糾纏狀態(tài)被瞬間轉(zhuǎn)移到整個原子云中。幾分之一納秒后，糾纏的光子繼續(xù)前進(jìn)，與它的孿生子在同一時刻到達(dá)探測器。

令人難以置信的是，自2012年完成博士學(xué)位以來，F(xiàn)igueroa已經(jīng)將整個容納量子記憶的系統(tǒng)微型化，變成了一個比隨身行李箱還小的便攜式設(shè)備，小到可以安裝在數(shù)據(jù)中心的普通計算機(jī)服務(wù)器機(jī)架上，如果量子互聯(lián)網(wǎng)要成為主流，這是一項至關(guān)重要的創(chuàng)新。正如他的同事和合作者Dimitrios Katramatos當(dāng)天晚些時候告訴我的那樣?！八鼈兪潜銛y式的，對吧？所以，有一天我們把它們中的一些裝在一輛貨車上，從石溪帶到布魯克海文?！?/p>

“他開著他妻子的面包車?！盕igueroa笑著說。“從那時起，我們就把它叫做量子面包車?！?/p>

糾纏交換

然而，另一個問題依然存在，無論是Figueroa還是Katramatos（或者世界上任何其他量子工程師）至今都沒有完全想通：如何通過光纜成功地傳輸量子糾纏的光子，因為60英里左右就會出現(xiàn)障礙，光子會無意中與電纜、其外殼甚至地面上的光線相互作用，從而破壞其糾纏。

Figueroa解釋說，提出的解決方案是一種叫做“糾纏交換”的東西。全世界的量子工程師都在爭先恐后地將這個概念應(yīng)用到工作原型上。

“這個想法到現(xiàn)在已經(jīng)有20年了?！惫鸫髮W(xué)著名量子理論家和實(shí)驗家米哈Mikhail Lukin說?！暗浆F(xiàn)在為止，還沒有人成功地制造出一個能夠用于實(shí)際應(yīng)用的。據(jù)我所知，這就是Figueroa的小組要做的事情?！?/p>

為了解釋他的計劃，F(xiàn)igueroa把我領(lǐng)進(jìn)一間小會議室，在那里，他把所有的計劃都畫在白板上。

“讓我給你看一些非常酷的東西?！彼f。

他解釋說，與其只創(chuàng)建一對糾纏光子并試圖將其發(fā)送到100英里以外的實(shí)驗室，不如在位于25英里和75英里處的兩個不同分站創(chuàng)建第二組糾纏對。這些分站將把一對光子中的一個光子射向?qū)Ψ?，另一個射向兩個實(shí)驗室中最近的一個。當(dāng)兩對光子中的每一對光子在50英里處相遇時，它們將發(fā)生糾纏，自動糾纏遠(yuǎn)處實(shí)驗室中的其他剩余光子。一旦這種糾纏被共享，F(xiàn)igueroa 想要發(fā)送的信息就可以被傳送到100英里外的實(shí)驗室，克服障礙。

“你看到了嗎？”他充滿魅力的語氣說?！昂芎唵??！?/p>

量子未來

如果傳送的不僅僅是信息，不僅僅是消息，還包括粒子、分子、細(xì)胞甚至柯克船長呢？當(dāng)1997年12月報道了第一個糾纏的實(shí)驗演示時，IBM物理學(xué)家Charles H. Bennett告訴《紐約時報》。“即使在細(xì)菌這樣的小東西上也完全不可行” （應(yīng)該指出的是，Bennett在四年前就創(chuàng)造了量子傳送一詞，所以你會認(rèn)為他是正確的）。

但21年后的2018年秋天，牛津大學(xué)的研究人員報告了正是Bennett所說的“完全不可行”：活的細(xì)菌與光子的糾纏。然而，并不是所有的物理學(xué)家都被這一發(fā)現(xiàn)所說服，因為它們是基于牛津團(tuán)隊對另一個小組實(shí)驗的分析。但是，沒有人知道量子革命會走多遠(yuǎn)，當(dāng)然Figueroa也不知道。

“這些設(shè)備會做的很多事情，我們還在努力想辦法?！彼嬖V我?！澳壳?，我們只是試圖創(chuàng)造出能用的技術(shù)。真正遠(yuǎn)大的可能性還有待發(fā)現(xiàn)?！?/p>

在離開他之前，我問Figueroa，他的朋友、家人和鄰居是如何試圖理解他的神秘工作的。他給我講了一個關(guān)于他岳父的故事。當(dāng)Figueroa在德國進(jìn)行博士后研究的時候，他妻子的父親前來拜訪。在帶他參觀了兩個小時的實(shí)驗室后，F(xiàn)igueroa問他對這一切有什么看法。

“你在里面說的話我一句也沒聽懂?！彼栏刚f，“但我知道這是我見過的最神奇的東西?！?/p>

我也是感同身受。這就是我在拜訪Figueroa之前的感覺，通過電話反復(fù)詢問他，閱讀他的論文，標(biāo)題很夸張，比如“一種單原子量子記憶 ”和 “擠壓光的量子記憶”。但在這一切之后，整個事情對我來說開始變得有意義了。我希望你現(xiàn)在也能明白，或多或少吧。
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