介绍
一个利用量子纠缠在远距离用户之间建立紧密连接的量子网络正在形成。
| 作者
潘家栋 | 翻译
刘培源, 闫莉 | 校对
邓逸雪 | 编辑
1. 在实验室中建立量子网络
当一束优雅的蓝色激光束进入一种特殊的晶体时贝语网校，晶体内部会变成红色，这表明每个光子分裂成一对能量较低的光子，并形成了一种神秘的联系。这些粒子像同卵双胞胎一样“纠缠”在一起，相互联系。尽管生活在遥远的城市，但它们知道彼此的想法。光子穿过一团粒子，然后轻轻地将它们编码的信息存入等待的原子云中。
“这有点像魔术，”纽约州立大学石溪分校的物理学家伊登·菲格罗亚兴奋地说道。他和同事们在几张摆满镜头和镜子的实验台上发明了这个装置。但他们心中有一个更大的想法。
图 1：Eden 正尝试将实验室中的精细量子信息带入互联世界。
到今年年底，包括纽约市郊区在内的美国最大都市地区的司机可能在不知不觉中努力应对一个具有革命性的新网络中的薄弱环节：一个由纠缠光子连接在一起的“量子互联网”，就像菲格罗亚实验室里的那样。
人们已投入了数十亿美元用于量子计算机和传感器的研究，但许多专家表示，这些设备只有在远距离相互连接的情况下才能快速发展，这一愿景与网络将个人电脑从华丽的打字机和游戏机转变为不可或缺的电信设备的方式相似。
纠缠是一种奇怪的量子力学特性，爱因斯坦曾嘲笑它是“鬼魅般的超距作用”，但研究人员希望在遥远的距离上建立亲密的即时连接。量子互联网可以将望远镜连接到超高分辨率阵列中，精确同步时钟物理学家 潘，为金融和选举创建安全的通信网络，并实现从任何地方进行量子计算。它还可能催生出人们从未想象过的应用。
然而，要把这些脆弱的联系带入温暖、嗡嗡作响的世界并非易事。当今存在的大多数传输链只能将纠缠光子发送到相距仅几十公里的接收器。同时，量子连接是短暂的，在光子被接收和测量时就会被破坏。研究人员希望能够无限期地保持纠缠，利用光子流在全球范围内编织持久的量子连接。
为了实现这一目标，他们需要量子通信网络，相当于光学中继器物理学家 潘，这是当今电信网络的组成部分，可以让光信号在数千公里的光纤中保持稳定。几个团队已经展示了量子中继器的关键组件，并表示他们正在顺利构建扩展网络。“我们已经解决了所有科学问题，”哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金说。“我非常乐观地认为，在五到十年内……我们将拥有大陆规模的量子网络原型。”
2. 量子计算和量子网络
1969 年 10 月 29 日晚上（就在节日结束两个月后，越南战争还在继续），加州大学洛杉矶分校的学生查理·克莱恩向 500 多公里外的加州门洛帕克斯坦福研究所的一台计算机发送了一条消息。这标志着高级研究计划局 (ARPA) 网络的开始。从那个不稳定的双节点开始——克莱恩想要发送的消息是“登录”，但在系统崩溃之前只有“lo”发送成功——互联网已经扩展到今天的全球网络。大约 20 年前，物理学家开始推测同样的基础设施是否可以传递更奇特的东西：量子信息。
1994 年是一个激动人心的时期。一位名叫彼得·肖尔 (Peter Shor) 的数学家设计了一种量子密码，可以破解当时领先的加密算法，而传统计算机却无法做到这一点。肖尔的算法表明，量子计算机能够使非常小或冷的物体同时处于多个“叠加”状态，这可能具有爆炸性的应用——破解密码。他们花了几十年时间试图建造量子计算机。一些研究人员想知道量子互联网是否会大大增强这些机器的功能。
但建造量子计算机已经够困难了。与纠缠一样，量子计算机必不可少的叠加态也很脆弱，当受到外界测量或干扰时就会崩溃。由于该领域专注于通用量子计算机，将这些机器连接在一起的想法大多被搁置在遥远的未来。菲格罗亚打趣说，量子互联网已经变得“像量子计算机的时髦版本”。
随着量子计算开始成为现实，量子网络最近再次成为人们关注的焦点。量子计算机要想做任何有用的事情，都需要数百个量子比特，这仍然远远超出了目前的能力范围。但一旦几个远距离节点可靠地纠缠在一起，量子网络就可以证明其价值。代尔夫特理工大学量子网络部门的研究负责人斯蒂芬妮·韦纳 ( ) 表示：“我们不需要很多量子比特就能做一些有趣的事情。”
3. 量子网络的建立
第一个能够传输单个纠缠光子的量子网络已经成型。最引人注目的是 2017 年中国发布的一份报告，称一颗名为“墨子号”的量子卫星已将纠缠粒子对发射到相距 1,200 公里的地面站（，2017 年 6 月 16 日，第 1110 页）。这一成就在华盛顿特区引发了关注，最终导致《国家量子倡议法案》于 2018 年通过，由时任总统唐纳德·特朗普签署成为法律，以推动美国的量子技术发展。美国能源部 (DOE) 于 4 月提出了进一步推进美国量子互联网发展的愿景，宣布投入 2500 万美元用于量子互联网研发，以连接国家实验室和大学。“让我们连接我们的科学设施，证明量子网络是可行的，并为全国其他地区提供一个继续和扩大规模的框架，”克里斯·福尔 (Chris Fall) 说，他直到最近还担任美国能源部科学办公室主任。
中国科学技术大学物理学家潘建伟领导的中国研究小组继续开发量子网络。根据 1 月份的一篇论文，纠缠粒子现在可以通过光纤和非量子中继跨越 4,600 多公里。其他国家也展示了短距离的量子连接。
量子通信行业和政府开始使用一种称为量子密钥分发 (QKD) 的方法，利用初始链路进行安全通信。QKD 通过同时测量纠缠的光子对，使双方能够共享密钥。量子连接可防止密钥被篡改或窃听，因为任何中间测量都会破坏纠缠，用密钥加密的信息可以通过普通渠道传递。QKD 正用于确保瑞士选举的安全，并已在银行进行测试。但许多专家质疑其重要性，因为更简单的加密技术也不易受到已知攻击，包括 Shor 算法。此外，QKD 不能保证发送和接收节点的安全性，这些节点仍然容易受到攻击。
成熟的量子网络目标更高。美国国家标准与技术研究所物理学家尼尔·齐默曼 (Neil ) 表示：“它不仅会传输纠缠粒子，还会将纠缠作为一种资源进行分发”，使设备能够长时间保持纠缠状态，从而共享和利用量子信息。（2018 年 10 月 19 日，10.1126/。）
4. 量子网络的应用
科学可能是量子网络发展中第一个受益的领域。量子网络的一个可能用途是超长基线干涉测量。该方法将全球各地的射电望远镜连接起来，有效地创建一个单一的、巨大的天线，其功率足以对遥远星系中心的黑洞进行成像。将遥远的光学望远镜收集到的光结合起来更具挑战性。但物理学家提出了一些方案，可以将望远镜收集到的光捕获到量子存储器中，并使用纠缠光子提取和组合它们的相位信息，这是超高分辨率的关键。分布式纠缠量子传感器还可以为暗物质和引力波提供更灵敏的探测器网络。
量子网络的更多实际应用包括超安全选举和防黑客通信，这使得信息本身（而不仅仅是用于解码信息的密钥）可以在纠缠节点之间共享，就像 QKD 中的密钥一样。纠缠还可以同步原子钟，防止信息在它们之间累积延迟和错误。除此之外，量子网络还可以提供一种连接量子计算机的方法，从而提高其性能。在未来一段时间内，每台量子计算机可能仅限于几百个量子比特，但如果纠缠在一起，它们可能能够处理更复杂的计算。
进一步发展这一想法，一些人还设想了一种类似于云计算的东西，即盲量子计算。这个想法是，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，就像今天的超级计算机一样。药物和材料设计师或股票交易员可能希望在不泄露程序内容的情况下从远处运行量子算法。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——利用远程计算机的功能，但同时不泄露有关问题的信息。
因斯布鲁克大学的 Tracy 说：“作为一名物理学家，我认为盲量子计算非常美妙。”
5. 量子中继器的出现和设计
研究人员已经对完全纠缠网络进行了早期研究。2015 年，韦纳和同事将光子与氮原子中的电子自旋纠缠在一起，氮原子被包裹在代尔夫特理工大学校园内相距 1.3 公里的两个小钻石中。然后，光子被发送到中间站，在那里它们相互作用以纠缠钻石节点。该实验创下了纠缠“调制”距离的记录，这意味着研究人员可以确认和使用它，并且连接持续时间长达几微秒。
然而，更广泛的网络可能需要量子中继器来复制、纠正、放大和重播几乎每一个信号。虽然中继器在传统互联网中是一种相对简单的技术，但量子中继器必须规避“不可克隆”定理——本质上意味着量子态无法复制。
图 2：量子网络将由纠缠光子编织而成，这意味着它们共享一个量子态。但这需要量子中继器在远距离用户之间中继脆弱的光子。
一种流行的量子中继器设计始于来自不同来源的两个相同的纠缠光子对，每对中的一个光子飞向遥远的端点，这些端点可能是量子计算机、传感器或其他中继器。我们称他们为爱丽丝和鲍勃，就像量子物理学家习惯做的那样。
每对光子的另一半向内拉向中继器的中心。该设备必须捕获最先到达的光子，将其信息导入量子存储器（可能是钻石或原子云），纠正传输过程中积累的错误，并处理它直到另一个光子到达。然后，中继器需要以一种使远距离光子孪生纠缠的方式连接两者。这个过程称为纠缠交换（ ），它在远距离端点 Alice 和 Bob 之间建立链接。其他中继器可以将 Alice 连接到 Carol，将 Bob 连接到 Dave，最终跨越很远的距离。
菲格罗亚将自己制造这种设备的动力追溯到 2008 年卡尔加里大学的博士论文答辩。在这位年轻的墨西哥物理学家描述了他如何将原子与光纠缠在一起后，一位理论家问他打算用这个设备做什么。“当时我感到非常羞愧，我不知道该怎么回答。对我来说，这是一个我可以玩的玩具，”菲格罗亚回忆道。“他告诉我：‘你要做的是量子中继器。’”
受此启发，菲格罗亚在来到石溪大学之前曾在马克斯普朗克量子光学研究所研究过该系统，他很早就确定商用量子中继器应该在室温下运行——这与大多数量子实验室实验不同，后者在极低的温度下进行，以最大限度地减少可能干扰脆弱量子态的热振动。
菲格罗亚希望利用铷蒸气作为中继器（一种量子存储器）的组成部分。铷原子是锂和钠的近亲，它们对科学家很有吸引力，因为它们的内部量子态可以用光来设置和控制。在菲格罗亚的实验室里，来自分频晶体的纠缠光子进入塑料细胞，每个塑料细胞都含有大约一万亿个铷原子。在那里，每个光子的信息都被编码在原子之间的叠加中，持续时间只有几分之一毫秒——非常适合量子实验。
菲格罗亚仍在开发中继器的第二阶段：使用计算机控制的激光脉冲来纠正错误并维持云的量子态。然后，额外的激光脉冲将把纠缠光子从存储器发送到测量设备，以便与最终用户纠缠。
卢金使用另一种介质来构建量子中继器：包裹在钻石中的硅原子。入射光子可以调整硅电子的量子自旋，从而产生潜在的稳定存储器。在论文中，他的团队报告称捕获和存储量子态的时间超过五分之一秒，比铷存储器长得多。尽管钻石必须冷却到绝对零度以上几分之一度，但卢金表示冰箱正变得越来越紧凑和高效，“这是我目前最不担心的事情”，他在 2020 年发表在《自然》杂志上的一篇文章中说道。
在代尔夫特理工大学，韦纳和她的同事也在推动钻石方法，但使用的是氮原子而不是硅原子。上个月，在《纳米尺度》杂志上，该团队报道了他们在实验室中将三颗钻石纠缠在一起，创建了一个微型量子网络。首先，研究人员使用光子纠缠两颗不同的钻石：爱丽丝和鲍勃。在鲍勃中，纠缠从氮转移到碳核中的自旋：一个长寿命的量子记忆。然后在鲍勃的氮原子和第三颗钻石之间重复纠缠过程。研究人员对鲍勃的氮原子和碳核进行了联合测量，然后将纠缠转移到第三颗钻石爱丽丝上。
虽然实验距离比真实世界量子网络所需的距离短得多，效率也低得多，但可控纠缠交换表明量子中继器是有效的，这是“以前从未做过的事情”，代尔夫特理工大学物理学家、实验负责人罗纳德汉森说。
潘的团队还展示了一种部分中继器，其中原子云充当量子存储器。但在 2019 年发表在《自然》杂志上的一项研究中，他的团队展示了一种完全不同的早期原型：通过平行光纤发送大量纠缠光子，其中至少有一个光子可能在旅途中幸存下来。潘说，虽然这可以避免使用中继器，但网络需要能够纠缠至少数百个光子，而他目前的记录是 12 个光子。潘正在开发的另一项技术是利用卫星产生纠缠，这也可以减少对中继器的需求，因为光子在太空中存活的时间比在光纤中长得多。
大多数专家都认为，真正的量子中继器还需要几年时间才能问世，最终可能会使用当今量子计算机中常见的技术，例如超导体或捕获离子，而不是钻石或原子云。这样的设备需要捕获几乎所有击中它的光子，并且可能需要一台至少有几百个量子比特的量子计算机来纠正和处理信号。从某种意义上说，更好的量子计算机可以推动量子互联网的发展——这反过来可以增强量子计算。
6. 在现实世界中构建量子网络
虽然物理学家们致力于构建完美的中继器，但他们正在连接单个大都市区域内的站点，因为他们不需要中继器。在 2 月份发布到 arXiv 的一项研究中，菲格罗亚将实验室中两个原子云存储器中的光子通过 79 公里的商业光纤发送到布鲁克海文国家实验室，在那里光子合并——这是代尔夫特理工大学研究小组朝着这种端到端纠缠迈出的一步。到明年，他计划在他的大学和他的初创公司的纽约市办公室之间部署两个量子存储器，并将它们压缩到微型冰箱的大小，看看它们是否可以提高光子在旅途中存活的几率。
波士顿、洛杉矶和华盛顿特区也在建设量子网络，其中两个网络将把伊利诺伊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。代尔夫特理工大学的研究人员希望很快将他们创纪录的长期纠缠延伸到荷兰海牙的商业电信设施，而其他新兴网络正在欧洲和亚洲发展。
这些量子网络的最终目标是使用中继器将这些小型网络连接到洲际互联网。但首先，研究人员面临着更简单的挑战，包括构建更好的光子源和探测器，最大限度地减少光纤连接的损耗，以及在特定量子系统（如原子云或钻石）的自然频率和电信光纤承载的红外波长之间有效地转换光子。“这些现实世界的问题，”齐默曼说，“实际上可能比光纤衰减更大。”
图 3：微小钻石中的杂质原子（例如该芯片的核心）可以存储和传输量子信息。
7. 量子网络的未来
有人怀疑这项技术是否只是炒作。陆军研究实验室的物理学家 Kurt 说：“纠缠是一种非常奇怪、非常特殊的特性。它不一定适用于所有类型的应用。”例如，对于时钟同步，量子网络相对于传统方法的优势只是纠缠设备数量的平方根：你需要连接九个设备才能获得传统网络三倍的增益。三倍增益需要连接九个时钟——而且可能存在比它更多的问题。 说：“建立一个功能齐全的量子网络总是比建立一个传统网络更难。”
面对这样的质疑，芝加哥大学物理学家戴维·奥沙洛姆 (David ) 反驳道：“我们正处于量子技术的晶体管阶段。”晶体管发明于 1947 年，各大公司花了数年时间才在收音机、助听器和其他设备中找到它的用途。如今，每台新电脑、智能手机和汽车的芯片中都嵌入了数十亿个晶体管。
后代人回顾这一时刻时，或许会像我们回顾 一样，认为它只是互联网的幼稚版本，当时它的巨大潜力尚未被认识到，也未得到商业化。“可以肯定的是，我们还没有想象到这项技术将实现的一些最重要的事情，” 说。“如果你认为最重要的事情已经完成了，那你就太傲慢了。”