量子互联网离我们还有多远？
原文以The quantum internet has arrived (and it hasn’t)为标题
发布在2018年2月14日的《自然》新闻特写上
原文作者：Davide Castelvecchi
基于量子纠缠和量子隐形传态的网络将带来网络安全、计算以及科学上的飞跃。
Stephanie Wehner在成为理论物理学家之前是一名黑客，像大部分同道中人一样，她很早就开始自学。15岁时，她用积蓄给自己买了第一台拨号上网调制解调器，安装在她父母位于德国维尔茨堡的家中。20岁时，在坊间不断上升的名气让她在阿姆斯特丹一家由黑客创立的互联网服务供应商公司找到了一份工作。
几年后，身为网络安全专家的Wehner一边工作，一边攻读大学。她在学校认识到量子力学能够提供现有计算机网络所不具备的特性——潜在的不可被攻击的通信。如今，她有了新的兴趣目标，她想改造互联网。
Stephanie Wehner所在的团队正在尝试搭建覆盖欧洲的真正意义上的量子网络。
来源：Marcel Wogram for Nature
量子粒子可以处于叠加态的特性——就像薛定谔思维实验里的猫可以既活又死——多年来一直被用来增强数据加密。但是，目前在荷兰代尔夫特理工大学工作的Wehner以及其他研究者表示：量子力学拥有更大的应用范围，即利用大自然可以神奇地在远距离对象之间建立连接或者产生纠缠的能力，实现信息的瞬间传输。Wehner说这乍看起来太过于理论，但现在“人们有希望实现这个目标”。
支持者说这样一个量子互联网可以开启经典通信方式无法实现的广泛应用场景，包括将量子计算机连接在一起；使用远距离分布的天文台打造超高分辨率望远镜；甚至获得探测引力波的新方法。一些人认为量子互联网将来会取代目前的互联网体系。维也纳大学物理学家Anton Zeilinger表示：“我个人认为，未来的通信即使不是全部也会绝大部分都基于量子。” 1997年，他领导了首批基于量子隐形传态的实验之一。
代尔夫特的一个团队已经开始建造第一个真正意义上的量子网络，它将连接荷兰的四个城市。该项目计划将于2020年完成，像是量子版本的 ARPANET（高等研究计划署网络）——美国军方在上世纪60年代后期开发的通信网络，正是它为今天的互联网奠定了基础。
参与这项工作的 Wehner 也在协调一个更大规模的欧洲项目——量子互联网联盟（Quantum Internet Alliance），旨在将荷兰的实验推广到整个欧洲大陆。在这个过程中，她和其他人正在努力将计算机科学家、工程师和网络安全专家汇集起来，共同推动设计未来的量子互联网。
目前，仍有许多技术细节需要探索。一些研究人员告诫说，现在要评价量子互联网到底能带来什么还为时过早。Wehner则希望通过提前考虑安全问题，避免当前互联网源自ARPANET的弱点，“也许我们有机会从一开始就把事情做好。”
量子密钥
20世纪70年代左右，量子通信模式首次被提出来。当时，Stephen Wiesner还是纽约哥伦比亚大学的一名年轻的物理学家，他发现了量子力学中一条最基本的原理的潜力，该原理是：测量量子系统的某一参数将无法避免地改变它的状态。
Wiesner 提议说，物体的状态可以用来编码信息，如孤立原子的“自旋”方向可以向上或向下，像经典比特0和1，但也能同时处于这两个状态。这样的量子信息单位现在一般被称为量子比特。Wiesner 指出，由于不改变量子比特的状态将无法对其进行测量，所以这就意味着无法进行精确的拷贝或 “克隆”。否则，只需测量对应的克隆就能在不改变原量子比特状态的情况下提取其信息。这个限制即后来所谓的“量子不可克隆”，已被证明对信息安全很有利，因为它使黑客无法不留痕迹地窃取到量子信息。
1984年，IBM计算机科学家Charles Bennett和他的合作者——加拿大蒙特利尔大学的Gilles Brassard受到Wiesner的启发，一起想到一个巧妙的方法来让两个用户生成无法被破解并且只有他们自己知道的密钥。该方法依据的原理是光发生偏振后，光波（电磁波）会在水平或垂直平面振荡。一名用户将随机产生的0/1序列转化为以上述两种偏振状态编码的量子密钥，发送给另一名用户。再经过一系列步骤，接收者检测密钥并确认传输未因窃听者的测量而受到干扰。确认密钥的安全性后，双方就可以加扰任何由经典比特组成的信息，比如一幅图像，再像在传统互联网或任何其他链路上传输任何其它加密信息一样进行传输。
1989年， Bennett带领的团队在实验中首次展示了这种“量子密钥分发”(QKD)。今天, 使用类似框架的QKD 产品已实现商用，采购方通常是金融或政府组织。例如，2001年在瑞士日内瓦成立的ID Quantique公司就建立了一个量子链路，十多年来一直在为瑞士的选举结果提供保护。
去年，按照中国科技大学物理学家潘建伟的构想而建造的中国墨子号卫星取得了举世瞩目的成就。墨子号使用Bennett-Brassard密钥分发协议的变体版本，创建了两个密钥，并将其中一个发送到位于北京的地面站，另一个发送到位于维也纳的地面站。之后，一台星载计算机将两个密钥组合起来创建一个新密钥，再以经典传输方式传回地面。位于维也纳和北京的团队利用自己的私钥，就能够对新密钥解扰（相当于以己方密钥进行减运算），从而获知对方密钥。通过这两个密钥，一方团队就可以解码另一方团队用其密钥加密的信息。去年 9月，潘教授和Zeilinger使用这种方法建立了第一个部分以量子密钥加密的跨洋视频通话。
类似墨子号的卫星可以帮忙解决目前困扰量子通信安全的最大挑战之一：距离。建立密钥需要光子，而光子会被大气或光纤（在地面传输时）吸收，致使量子传输在超过几十公里后便不可行。
在荷兰代尔夫特理工大学开展的一项实验中，实验人员尝试将基于金刚石的系统作为量子互联网节点。
来源：Marcel Wogram for Nature
因为量子态不可复制，所以想要发送一个量子比特的多个拷贝以期至少有一个可以到达是不现实的。因此，目前建立远程 QKD 连接需要建造“可信任节点”来充当中继站。如果有人入侵了一个处理既有量子形式也有经典形式的密钥的可信任节点，他将能够复制密钥而不被监测到——当然，运行该节点的政府或公司也能。这无论对于地面上的可信任节点还是墨子号，都是如此。“卫星掌握着一切。”潘建伟说。但是使用卫星可以减少远程连接所需的可信任节点数量。
潘教授说可信任节点代表着离实现某些应用又近了一步，因为它们减少了网络易受攻击位置的数量。他还领导了规模庞大的京沪量子通信干线的建设。这条干线于2017年9月启用，通过2000多公里的光纤、32个可信任节点将4个城市连接起来 ，并正在进行银行和商业通信应用测试，例如连接网购巨头阿里巴巴的数据中心。
量子连接
但是，包含可信任节点的网络只能算是局部量子网络。在这样的网络中，量子物理发挥的作用只局限于节点如何生成密钥；后续信息的加密和传输仍然完全采用经典方式。真正的量子网络不需要引入易受攻击的可信任节点，也能利用量子纠缠和量子隐形传态远距离传输量子信息。
构建这类网络的主要动机之一是实现量子计算机之间的通信，包括跨国通信和同一机房内的通信。任一计算系统可以承载的量子比特数可能有限，因此将这些系统连接起来可以帮助物理学家们扩展系统。“目前，靠谱的预测是或许能够建造一个拥有几百量子比特的量子计算机，”哈佛大学物理学家Mikhail Lukin说，“但如果要超过这个规模，唯一可行的方案就是利用模块化的量子通信方法。”
对此，研究人员设想的是一个量子计算云，其中包含少量高度精密的计算机，大部分的大学实验室都可以通过量子互联网访问它们。“另外值得称道的是，这种云量子计算也是安全的，”代尔夫特大学实验物理学家Ronald Hanson说，“服务器一侧的人员将无法知道你正在运行什么程序，也无法获取你在使用的数据。”
研究人员想到了大量潜在的互联网应用场景，比如拍卖、选举、合同谈判和高频交易，量子方式会比传统方式更快更安全。
但受量子互联网影响最深远的恐怕是科学本身。 一些研究人员指出，如果利用量子纠缠同步时钟，可以将全球定位系统之类的导航网络的精度从米提高到毫米级。Lukin等人提出使用量子纠缠将相距遥远的原子钟组合成一个精度大幅提升的单个时钟，他举例说这有望带来探测引力波的新方法。在天文学领域，量子网络或许可以将相距数千公里的光学望远镜连接起来，获得相当于一个同等直径的单碟望远镜的分辨率。 这种方法被称为甚长基线干涉测量，对于射电天文学而言已经是常规应用，但对于光学天文学观测而言，目前还无法达到所需的时间精度。
超凡的安全性
在过去的十年左右时间里，马里兰大学的物理学家Christopher Monroe和其他人通过实验，给出了构建真正的量子网络所需的一些基石，例如利用隐形传态将量子比特编码的信息从一处传送到另一处（参见“搭建量子互联网”）。
Nik Spencer/Nature
要理解量子隐形传态（同样是Bennett和Brassard 提出的）如何工作，可以想象两个用户：Alice和Bob。Alice拥有一个量子比特（可能是一个被困离子或其它量子系统），并希望将其中存储的信息传输给Bob。碰巧，Alice和Bob拥有两个相互纠缠的“代理”粒子——也是量子比特。如果Alice可以在她的量子比特和代理粒子间建立纠缠，那么这个量子比特也将与Bob的粒子产生纠缠。为此，Alice对她的两个粒子执行特定类型的联合测量，然后她与Bob分享该测量结果（常规经典数据）。为了完成隐形传态的最后一步，Bob依照该信息操作其粒子，最终该粒子得以与Alice的量子比特的最初状态一样。
实际上，Alice和Bob获取纠缠态代理粒子的方式无关紧要。这些粒子可以是通过公文包递送的单原子，也可以是第三方发射的光子。（去年，墨子号的实验之一就是向位于中国的两个地面站发送纠缠光子对，两地相隔1200多公里，距离创下历史记录。) Alice 和 Bob还可以将光子发送到第三个位置进行互作，使他们持有的量子比特形成纠缠。
量子隐形传态的美妙之处在于，量子信息实际并没有通过网络传播。传播的光子只是为了在Alice和Bob之间建立连接以便传输量子信息。如果一对纠缠光子没能建立连接，另一对就会。这意味着光子的丢失不会导致量子信息的丢失。
连接与中继
量子互联网将能够在任意两个用户间随需生成量子纠缠。研究人员认为这将涉及通过光纤网络和卫星链路发送光子。但是，连接远程用户需要一项可以扩展量子纠缠可达范围的技术，从而使纠缠可以在用户之间以及中继站之间传播。
2001年，Lukin和他的合作者提出了一种实现这种量子中继器的途径。在他们的方案中，可存储量子比特并进行简单运算的小型量子计算机被用来在上游基站和下游基站的量子比特之间建立量子纠缠。沿着网络中的一条路径重复应用这种“量子纠缠交换”过程，最终可以在任意两个用户间建立量子纠缠。
2015年，Hanson和他的合作者将两个由金刚石晶体的单原子缺陷产生的量子比特连接起来——二者相距1.3公里，展示了如何构建一路量子网络。由这两个量子比特发射出的光子在一个中间站汇合后发生相互作用、建立纠缠。麻省理工学院物理学家Seth Lloyd说：“这表明人们确实可以在两个远距离的量子信息处理器之间建立纠缠——强而可靠的纠缠。”
研究人员也在探索其它可以构建和操纵量子比特的方式，包括Monroe等人开辟的、利用悬浮于真空的单离子；或者利用通过腔体内两个镜面的来回反射配对原子和光子的系统。
像Hanson的金刚石系统一样，这些量子比特既可用于构建量子中继器，也可用于制造量子计算机。幸运的是，对于希望扩大量子通信规模的人们来说，中继器的要求可能不像成熟的量子计算机的要求那么苛刻。去年9月，巴黎狄德罗大学的量子计算研究者Iordanis Kerenidis在奥地利塞费尔德的量子中继器研讨会上发表了上述观点。“如果你告诉实验人员你需要1000个量子比特，他们会笑的，”他说，“如果你告诉他们你只需要10个——好，他们会笑得轻一些。”
系统工程关乎量子互联网的前景。“从实验的角度来说，人们已经给出了（量子网络的）各种构建模块。”奥地利因斯布鲁克大学的物理学家Tracy Northup说。他的团队是Wehner的泛欧量子互联网联盟的一员，从事腔量子比特研究。“但要把它们放在一起——我们都知道那多么具有挑战性。”Northup说。
目前，Wehner 的联盟仍处于初级阶段，正在寻求公共资助和企业合作伙伴。与此同时， Wehner、Hanson以及 Erwin van Zwet（荷兰科研组织 TNO的一名联合系统工程师）共同领导构建了一个示范网络。Hanson和他的同事们在持续提高系统的速度；在2015的实验中，在相当于约9天的时间内，系统总计建立了245对纠缠量子比特。另一个关键的挑战是，将金刚石量子比特发射的光从可见光波长可靠地转换为更长的红外线波长，后者在光纤中可以更好的传播；这是个棘手的问题，因为新的光子仍然需要携带之前的量子信息，但又没有克隆的可能性。今年早些时候，Hanson和他的同事们通过让光子与波长较长的激光束相互作用实现了这一点。这种技术可以使相隔几十公里的量子比特通过光纤建立起连接。
Hanson的团队目前在代尔夫特和海牙建立链路，两地间距足有10公里。研究人员希望到2020年能连接起4个荷兰城市，并在每个城市设立一个中继站。如果成功，该项目将是世界上首个真正意义上的基于量子隐形传态的网络。Hanson的团队希望将来可以对其他感兴趣的团队开放这一网络，让他们可以远程进行量子通信实验，这很像IBM的量子计算平台（Quantum Experience），后者允许用户远程登录一台初级量子计算机。
上述网络或许能为研究人员提供一个测试平台，用以修复互联网缺陷，尤其是用户可以轻易伪造或窃取身份。“不创建身份帐号就可以接入网络，这个问题由来已久。”电信设备巨头思科的网络工程师Robert Broberg 在塞费尔德研讨会上说。Wehner 和其他人提出的量子技术，允许用户无需上传密钥就能证明他们拥有合法密钥（一系列经典比特），从而验证他们的身份。而用户和服务器使用上述密钥创建一个量子比特序列，并发送给位于他们之间的“黑匣子”。这个黑匣子——比如说一台取款机——无需识别密钥就可以对比两个序列以确认它们是否匹配。
但也有研究人员提醒不要过度消费此技术的发展前景。“现今的互联网不会完全量子化，正如未来的计算机不会全部采用量子计算技术。”瑞士日内瓦大学物理学家、ID Quantique联合创始人Nicolas Gisin说。人们希望通过量子网络实现的多数事情其实可以用更常规的技术做到。“有时候，有些东西乍看起来很妙，结果发现不借助量子效应也很容易实现。”加拿大滑铁卢大学的物理学家Norbert Lütkenhaus说，他正在参与制定未来量子互联网的相关标准。
Zeilinger表示，时间会告诉我们量子互联网的潜在红利能否兑现。据我们所知，隐形传态是一种物理上可能但不会自然发生的现象，“所以它对人类来说确实是新事物，这可能需要一些时间去理解。”
Wehner既熟悉物理，又熟悉网络安全，已成为业内同仁的标杆。在完成基于量子力学核心理论的大量工作后，她很享受塑造这些未来网络的机会，她说：“对于我而言，这真的很完美。”ⓝ
Nature|doi:10.1038/d41586-018-01835-3
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