一文了解量子互联网进展

光子盒研究院出品

1969年10月29日，第一个通过Arpanet（互联网前身）传输的数据，从加州大学洛杉矶分校的一台计算机上瞬间传送到位于帕洛阿托的斯坦福研究所。经过半个世纪发展，互联网已经彻底改变了世界。

但网络安全问题一直伴随左右，根据Gartner公布的数据显示，2019年全球网络安全行业市场规模高达1244.01亿美元。如果能够一劳永逸解决网络安全问题，每年可以节省千亿美元的成本。

于是，科学家们想到了量子互联网，目前美国和欧洲均已提出量子互联网蓝图，特别是荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）走在了前列。

TU Delft量子计算研究中心QuTech的Stephanie Wehner教授在2018年10月发表的一篇Science论文中，她和两位同事提出了一个实现量子互联网的六阶段计划。第一阶段已经在进行中，将建设一个连接荷兰四个城市的量子网络，类似于Arpanet。

想重塑互联网的黑客

在成为理论物理学家之前，Stephanie Wehner是个黑客。

Wehner第一次上网是在1992年，当时她还是一个十几岁的德国孩子，却已经是一个熟练的计算机程序员，很快她就成了一个互联网黑客。20岁，她在荷兰一家由黑客同行创办的互联网提供商那里找到了一份工作。

后来，Wehner厌倦了黑客的日子，并寻求对信息传输和网络的更深入了解。她辞掉了黑客的工作，前往荷兰学习计算机科学和物理，她在莱顿听到理论物理学家John Preskill发表演讲，描述了量子比特用于通信的优势。

Wehner被量子理论深深吸引了，在获得博士学位后，她放弃了经典计算，加入了加州理工学院的Preskill小组，成为博士后。2014年，她搬到了代尔夫特，并开始与实验物理学家合作，为量子互联网打下基础。

Preskill评价她是“天生的领导者”。现在Wehner已是欧洲量子互联网联盟（Quantum Internet Alliance, QIA）的领导之一，她想重塑互联网。

如何实现量子互联网？

量子信息技术最终的发展目标就是研制成功量子互联网。郭光灿院士在《量子信息技术研究现状与未来》一文中介绍，量子网络基本要素包括量子节点和量子信道。所有节点通过量子纠缠相互连接，远程信道需要量子中继。

量子网络将信息传输和处理融合在一起，量子节点用于存储和处理量子信息，量子信道用于各节点之间的量子信息传送。量子节点包括通用量子计算机、专用量子计算机、量子传感器和量子密钥装置等。应用不同量子节点将构成不同功能的量子网络。

目前，只有量子密钥分发（QKD）网络初具雏形，但传输的不是量子比特，这恰好是量子互联网需要实现的功能。一个真正的量子互联网需要利用纠缠和隐形传态来远距离传输量子信息。

1997年，维也纳大学Anton Zeilinger小组首次成功实现了量子隐形传态。但在长距离内保持纠缠是一个挑战，将相隔很远的用户连接起来，需要一种能扩展纠缠范围的技术——能沿着中间点在用户间转送。

2001年，哈佛大学的物理学家Mikhail Lukin及其合作者提出了一个量子中继器。该方案中能储存量子比特和开展简单操作的小型量子计算机被用于上游站点和下游站点量子比特之间的纠缠。

这种沿着网络中某一路径的“纠缠交换”过程的重复应用，最终将产生任何两个用户之间的纠缠。

2015年，Wehner的同事、实验物理学家Ronald Hanson和合作者展示了如何建立分支网络，他们将两个相隔1.3公里的由钻石NV色心构成的量子比特连接起来。两个量子比特发送的光子（通过光纤）到达一个中间站点，在那里，它们相互作用并建立纠缠。

麻省理工学院的物理学家Seth Lloyd说：“这表明我们可以在两个遥远的量子信息处理器之间，建立真正的纠缠——强大、可靠的纠缠。”

通过纠缠，身处两地的Alice能轻易将量子比特传输给Bob。正如Hanson的实验，Alice和Bob从各自的量子比特向对方发送一个光子，因为光子与原来的量子比特纠缠，当它们相互作用时，Alice和Bob的量子比特也会纠缠在一起。

如果Alice和Bob相距遥远，则需要通过一个或多个量子中继器来建立纠缠，中继器中的一个量子比特与Alice的量子比特纠缠，另一个与Bob的量子比特纠缠，通过对中继器中的两个量子比特执行操作，将Alice和Bob的量子比特纠缠在一起。

如果Alice想通过连接向Bob传输量子信息，可以对她的纠缠量子比特（粉色）和她想传输的量子比特（灰色）做“贝尔测量”，此时灰色量子比特与Alice、Bob之前相互发送的两个光子纠缠在了一起。

然后Alice把测量的信息发送给Bob，可以通过传统互联网，有了这些信息，Bob可以对他的量子比特进行操作，使其处于Alice的第二个量子比特原来的转态，这样量子信息可以从Alice传输到了Bob。而不需要实际传输物理量子比特，使得传输变得万无一失。

除了代尔夫特团队将NV色心系统作为量子互联网节点，一些研究人员提出了囚禁离子系统作为量子节点，这些量子比特可以用来建造量子中继器和量子计算机。目前从事这方面研究的有马里兰大学的Chris Monroe和因斯布鲁克大学的Ben Lanyon。

量子互联网的第一阶段保证了通信中几乎牢不可破的安全性，但安全远远不是引起研究人员兴奋的唯一领域。一个更成熟的网络应该包括一系列科学应用。

由通用量子计算机作为量子节点，将构成量子云计算平台，运算能力将强大无比。任何一个计算系统中所能容纳的量子比特数量是有限的，将这些系统联网可以扩大量子比特的规模。

通过将许多更小的量子设备连接在一起，量子互联网可以解决目前在单个量子计算机中无法实现的问题。这包括加快大量数据的交换，在天文、材料发现和生命科学领域进行大规模的实验。

Hanson说：“更酷的是，这种云量子计算也是安全的。服务器上的人无法知道你正在运行的是哪种程序以及你拥有的数据。”

而由专用量子计算机作为量子互联网节点可以构成分布式量子计算，其信息功能等同于通用量子计算机。

此外，如果量子节点是量子传感器，那么构成的量子网络是高精度的量子传感网络。Lukin和合作者提出利用纠缠同步时钟可以将全球定位系统的精度从米提高到毫米，而且可以作为探测引力波的量子传感器。

量子互联网还有多远？

2018年，欧洲成立量子互联网联盟（QIA），这是欧洲量子旗舰计划的一部分，实现量子互联网是量子旗舰计划的终极目标。代尔夫特理工大学和因斯布鲁克大学以及其他科研机构是QIA联盟的中流砥柱，Stephanie Wehner负责协调工作。

欧洲量子互联网由三个部分组成：量子计算机、量子模拟器和量子传感器。量子互联网随后将推出量子存储器、量子节点和量子中继器。它还将包括两个不同的量子基础设施：陆地和太空。

2018年10月，Wehner、Elkouss和Hanson共同撰写了一篇Science论文，列出了未来量子互联网可能达到的六个复杂阶段，以及用户在每一个层次上可以做些什么。

他们将第一阶段称作阶段0，因为它没有描述一个真正的量子互联网。在阶段0，用户可以接收量子生成的代码，但不能发送或接收量子信息。这种类型的网络便是QKD，目前已经存在，最具代表性的是2000公里的京沪干线。

当处在阶段0，任意两个用户都可以共享一个加密密钥，但服务提供商也知道。在阶段1，任意两个用户都可以创建一个只有他们知道的私有加密密钥。用户接收和测量量子态（但不一定涉及纠缠的量子现象）。

在阶段2，量子互联网将利用强大的纠缠现象。这个阶段的第一个目标是使量子加密基本上不可破解。任意两个终端用户都可以获得纠缠态（但不能存储）。此时叫作纠缠分布网络。

而从阶段3开始，将能够存储和交换量子比特，这个阶段叫作量子存储网络：任意两个终端用户获取并存储纠缠的量子比特，并可相互传送量子信息，通过网络连接量子计算机已成为可能。

到了阶段4&5，即量子计算网络阶段，网络上的设备是成熟的量子计算机（可对数据传输进行纠错）。此阶段将实现不同程度的分布式量子计算和量子传感器，并应用于科学实验。

第一阶段已经在进行中，代尔夫特团队计划建设一个连接荷兰四个城市的量子网络，类似于Arpanet。Hanson表示，这个目标有望在2020年完成，每个城市之间都有一个站点充当量子中继器。如果成功，这个项目将是世界上第一个真正的量子隐形传态网络。

QIA近期目标是建设量子通信基础设施和量子计算基础设施。在十年内为网络安全服务建立和部署一个泛欧洲的端到端量子通信基础设施，包括：

·将量子密码应用到关键通信系统中

·保护数据网络、时钟同步

·电子投票

·结合地面和卫星组件实现广泛覆盖

·成为量子互联网的骨干基础设施

量子计算基础设施，目标是为大数据、人工智能、高性能计算等建立和部署基础设施。这些基础设施包括量子软硬件开发、算法和协议、测试组件可扩展性、优化设置、演示混合量子经典协同处理系统。

欧洲虽然最早提出量子互联网计划，但是基础设施部署却落后于中国、美国，欧洲希望开展量子卫星实验，中国早在2016年就已实现，欧洲希望实现100量子比特的硬件，美国也非常接近这个目标了。

美国量子互联网计划也提上了日程。

2020年2月，白宫国家量子网站发布一份《美国量子网络战略构想》文件，提出美国将联合联邦机构、学术界和工业界各方力量，率先开发量子互联网，并确保量子信息科学的创新发展惠及普罗大众。

同月，美国能源部所属国家实验室、大学和工业界在纽约召开会议，制定了国家量子互联网的战略蓝图，列出了必须完成的重要研究，描述了工程和设计障碍，并制定了近期目标。

此次会议确定了四个优先重点研究方向：为量子互联网提供基础的构建模块；集成多个量子网络设备；为量子纠缠创建中继、开关和路由；启用量子网络的纠错功能。

量子互联网蓝图中的五个里程碑与欧洲的六个阶段类似：

1. 在光线网络验证量子安全协议

2. 校际、城际纠缠分发

3. 使用纠缠交换的城际量子通信

4. 使用量子中继的州际量子纠缠分发

5. 在实验室、学术界和工业界之间建立一个多机构的生态系统，以实现从演示到操作基础设施的过渡

在量子互联网蓝图正式发布前，能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家，将光子纠缠在芝加哥郊区52英里的“量子环路”上，创建了美国最长的陆基量子网络之一。该网络将与能源部费米实验室连接，建立起一个80英里的三节点试验平台。最终，美国将连接所有17个能源部国家实验室作为量子互联网的主干。

2020年7月，美国官员和科学家公布了量子互联网计划，目标是将与全球现有网络并行的互联网，利用量子力学定律更安全地共享信息，并连接新一代计算机和传感器。

一个多月后，白宫、国家科学基金会和能源部宣布，美国将斥资6.25亿美元建立五个量子信息科学中心。其中，由阿贡实验室领导的下一代量子科学与工程（Q-NEXT ），目标是建设一个量子互联网。

欧洲和美国相继发布了量子互联网蓝图，但都没有给出建设年限。因为，在当前技术条件下讨论量子互联网还太过遥远。

郭光灿院士在其《量子信息技术研究现状与未来》一文中表示，不仅尚无哪种类型量子网络已经演示成功，即使是单个量子节点的量子器件也仍处于研制阶段，距离实际的应用仍有着很长的路要走。

即便是单个量子节点研制成功，要将若干量子节点通过纠缠信道构成网络也极其困难——通常采用光纤作为量子信息传输的通道，量子节点的量子信息必须能强耦合到光纤通信波长的光子上。

比如，代尔夫特小组的装置发射的光子波长为637纳米，当这些光子被注入光纤中，它们每行驶一公里，强度就会减弱一个数量级。Hanson说：“这使得我们不可能越过几公里。”

该光子到达下个量子节点处再强耦合到该节点工作波长的量子比特上，任何节点之间最终均可实现强耦合、高保真度的相干操控，只有这样才能实现量子网络的信息功能。目前，连接多个节点的量子界面仍然处于基础研究阶段。

至于远程的量子通道，必须有量子中继才能实现，而量子中继的研制依赖于高速确定性纠缠光源和可实用性量子存储器的研究，但是所有这些核心器件仍然处于基础研究阶段，离实际应用还很远。

总之，整个量子信息技术领域仍然处于初期研究阶段，实际应用还有待时日。

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1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。