原創 Gabriel Popkin 集智俱樂部

導語

一個利用量子糾纏在遠方用戶之間建立密切聯系的量子網絡正在形成。

Gabriel Popkin | 作者

潘佳棟 | 譯者

劉培源、晏麗 | 審校

鄧一雪 | 編輯

1. 在實驗室中構建量子網絡

當一束優雅的藍色激光進入一個特殊的晶體中時，在晶體里其變成紅色，這表明每個光子都分裂成一對能量較低的光子，并且產生了一種神秘的聯系。這些粒子“糾纏”在一起，就像同卵雙胞胎一樣相互聯系。盡管住在遙遠的城市，它們卻知道彼此的想法。光子穿過一團亂麻，然后輕輕地將它們編碼的信息存入等待的原子云（clouds of atoms）中。

“這種變換有一點像魔法”，石溪大學的物理學家伊登·菲格羅亞（Eden Figueroa）欣喜若狂。他和同事們在幾個實驗室長凳上炮制了這個裝置，上面堆滿了鏡頭和鏡子。但是他們心中有一個更大的想法。

圖1：伊登·菲格羅亞 (Eden Figueroa) 正試圖將微妙的量子信息從實驗室引入互聯世界

到年底，美國最大的都會區，包括紐約市郊區的司機可能會在不知不覺中為一個新的、可能具有革命性意義的網絡的薄弱環節而努力：一個通過像菲格羅亞實驗室那樣的糾纏光子聯系在一起的“量子互聯網” 。

數十億美元已經被投入到量子計算機和傳感器的研究中，但許多專家表示，這些設備只有在遠距離相互連接時才會迅速發展。就像網絡將個人計算機從美化的打字機和游戲機轉變為不可或缺的電信設備一樣，這一愿景和網絡的這一方式相似。

糾纏是一種奇怪的量子力學性質，盡管它曾被阿爾伯特·愛因斯坦嘲笑為“幽靈般的超距作用”，但是研究人員仍希望能夠在遠距離建立緊密的、瞬時的聯系。量子互聯網可以將望遠鏡連接成超高分辨率的陣列、精確地同步時鐘、為金融和選舉建立安全的通信網絡、并使得從任何地方進行量子計算成為可能。它還可能催生出沒有人想象過的應用程序。

然而，將這些脆弱的聯系放入溫暖、嗡嗡作響的世界并非易事。如今存在的大多數傳輸鏈只能將糾纏的光子發送到相距僅幾十公里的接收器。同時，量子連接是短暫的，它會隨著光子的接收和測量而被破壞。研究人員希望可以無限期地維持糾纏，利用光子流在全球范圍內編織持久的量子連接。

為此，他們將需要光中繼器在量子通信網絡中的等價物。光中繼器是當今電信網絡的組件，可在數千公里的光纖中保持強光信號。幾個團隊已經展示了量子中繼器的關鍵組成部分，并表示他們在構建擴展網絡的道路上進展順利。“我們已經解決了所有的科學問題，”哈佛大學的物理學家米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）說，“我非常樂觀地認為，在5到10年內……我們將擁有大陸級別的量子網絡原型。”

2. 量子計算和量子網絡

1969年10月29日晚（即Woodstock音樂節剛結束2個月，越戰正在爆發），加利福尼亞大學洛杉磯分校的學生查理·克萊恩（Charley Kline）向位于加利福尼亞州門洛帕克的斯坦福研究所中500多公里外的計算機發送了一條消息。這標志著美國高等研究計劃署網絡（the Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET）開始建立。從那個不穩定的雙節點開始——克萊恩的預期信息是“login”，但在系統崩潰之前只有“lo”通過——互聯網已經擴展到今天的全球網絡。大約 20 年前，物理學家開始猜測相同的基礎設施是否可以穿梭于更奇特的東西：量子信息。

1994年是一個激動人心的時刻。一位名叫彼得·肖爾（Peter Shor）的數學家設計了一種量子代碼，可以破解當時領先的加密算法，這是經典計算機無法做到的。肖爾的算法表明，量子計算機具有使非常小的或冷的物體同時以多種“疊加”狀態存在的能力，這可能具有爆炸級的應用——破解密碼。他們花費了長達數十年的努力來構建量子計算機。一些研究人員想知道量子互聯網是否會極大地增強這些機器的能力。

但是建造一臺量子計算機已經足夠令人卻步了。就像糾纏一樣，對糾纏至關重要的疊加狀態是脆弱的，在被外界測量或以其他方式干擾時會崩潰。由于該領域專注于通用量子計算機，將這些計算機連接起來的想法大多被規劃到遙遠的未來。菲格羅亞打趣說，量子互聯網變得“就像量子計算機的時髦版本”。

最近，隨著量子計算開始成為現實，量子網絡開始重新成為人們關注的焦點。為了做一些有用的事情，一臺量子計算機將需要數百個量子比特（quantum bits，qubits），這仍然遠遠超過今天能達到的數量。但是，一旦幾個遙遠的節點可靠地糾纏在一起，量子網絡就可以證明它們的價值。“我們不需要很多量子比特就可以做一些有趣的事情。”代爾夫特理工大學量子網絡部門的研究負責人斯蒂芬妮·韋納（Stephanie Wehner）說。

3. 量子網絡的建立

第一個能夠傳輸單個糾纏光子的量子網絡已經初具規模。2017年中國的一份報告是最引人注目的：一顆名為“墨子號”的量子衛星將糾纏粒子對發送到相距 1200 公里的地面站（Science, 16 June 2017, p. 1110）。這一成就在華盛頓特區引發了擔憂，最終導致了 2018 年《國家量子倡議》法案（National Quantum Initiative Act）的通過，該法案由當時的總統唐納德·特朗普（Donald Trump）簽署成為法律，旨在推動美國的量子技術的進步。美國能源部（The Department of Energy，DOE）在 4 月份提出了進一步推進美國量子互聯網發展的設想，宣布斥資2500萬美元用于量子互聯網的研發，以連接國家實驗室和大學。“讓我們將我們的科學設施連接起來，證明量子網絡是有效的，并為該國其他地區提供一個框架，讓其繼續并擴大規模。”最近才開始領導美國能源部科學辦公室的克里斯·法爾（Chris Fall）說。

由中國科學技術大學物理學家潘建偉領導的中國小組繼續發展其量子網絡。根據1月份 Nature 的一篇論文，糾纏粒子現在可以跨越 4600 多公里，使用光纖和非量子中繼。其他國家也已經證明了更短距離的量子連接。

量子通信行業和政府開始通過一種稱為量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，QKD）的方法，將最初的鏈接用于安全通信。QKD使雙方能夠通過對糾纏光子對進行同時測量來共享密鑰。量子連接可以防止密鑰被篡改或竊聽，因為任何干預測量都會破壞糾纏，用密鑰加密的信息可以通過普通渠道傳遞。QKD 被用于確保瑞士選舉的安全，并且銀行已經對其進行了測試。但許多專家質疑其重要性，因為更簡單的加密技術也不受已知攻擊的影響，包括Shor算法。此外，QKD不能保證發送和接收節點的安全，這些節點仍然容易受到攻擊。

成熟的量子網絡的目標更高。“它不僅會傳輸糾纏粒子”，美國國家標準與技術研究所的物理學家尼爾·齊默曼（Neil Zimmerman）說，“它將糾纏作為一種資源進行分配”，使設備能夠長時間糾纏，從而共享和利用量子信息。（Science, 19 October 2018, 10.1126/science.aam9288）

4. 量子網絡的應用

在量子網絡的發展中，科學可能是首先受益的。量子網絡的一種可能的用途是超長基線干涉測量。該方法將全球的射電望遠鏡連接起來，有效地創造了一個強大的單一、巨大的天線，足以對遙遠星系中心的黑洞進行成像。將遠距離的光學望遠鏡收集到的光組合起來更具挑戰性。但是物理學家提出了一些方案，可以在量子存儲器中捕獲望遠鏡收集的光，并使用糾纏光子提取和合并其相位信息，這是超高分辨率的關鍵。分布式糾纏量子傳感器還可以為暗物質和引力波帶來更靈敏的探測器網絡。

量子網絡更實際的應用包括超安全選舉和防黑客通信，這使得信息本身，而不僅僅是用于解碼它的密鑰，能夠像在QKD中密鑰一樣在糾纏節點之間共享。糾纏也可以同步原子鐘，并防止在它們之間積累信息的延遲和錯誤。除此之外，量子網絡還可以提供一種連接量子計算機的方法，增強量子計算機的能力。在未來一定的時間里，每個量子計算機可能會被限制在幾百個量子比特，但如果糾纏在一起，它們可能能夠處理更復雜的計算。

進一步考慮這個想法，一些人還設想了一種云計算的模擬，即所謂的盲量子計算（Blind quantum computing）。人們的想法是，有朝一日，最強大的量子計算機將位于國家實驗室、大學和公司，就像今天的超級計算機一樣。藥物和材料設計師或股票交易員可能希望在不泄露程序內容的情況下從遠處運行量子算法。理論上，用戶可以在與遠程量子計算機糾纏在一起的本地設備上對問題進行編碼——利用遠程計算機的能力，但同時不泄漏該問題的信息。

“作為一名物理學家，我認為盲量子計算非常漂亮。”因斯布魯克大學的特蕾西·諾瑟普（Tracy Northup）說。

5. 量子中繼器的出現和設計

研究人員對完全糾纏網絡（fully entangled networks）進行了早期研究。2015 年，魏納（Wehner）及其同事將光子與氮原子中的電子自旋糾纏在一起，它們被包裹在代爾夫特理工大學校園內相距1.3公里的兩顆小鉆石中。然后光子被發送到一個中間站，在那里它們相互作用以糾纏鉆石節點。該實驗創造了“調制”糾纏的距離記錄，這意味著研究人員可以確認并使用它，并且這種聯系持續了長達幾微秒。

然而，更廣泛的網絡可能需要量子中繼器來復制、校正、放大和重新廣播幾乎每個信號。盡管中繼器是經典互聯網中相對簡單的技術，但量子中繼器必須避開“不可克隆”定理——即從本質上講，量子態不能被復制。

圖2：量子網絡將由糾纏的光子編織在一起，這意味著它們共享一個量子態。但是這需要量子中繼器在遙遠的用戶之間中繼脆弱的光子。

一種流行的量子中繼器設計從兩個相同的、不同來源的糾纏光子對開始，每對中的一個光子飛向遙遠的端點，這些端點可能是量子計算機、傳感器或其他中繼器。讓我們稱它們為Alice和Bob，因為量子物理學家習慣這樣做。

每對光子的另一半向內拉，朝向中繼器的中心。該設備必須捕獲先到達的光子，將其信息導入量子存儲器（可能是鉆石或原子云），糾正在傳輸過程中積累的錯誤，并對其進行處理，直到另一個光子到達。然后中繼器需要以糾纏遙遠的光子雙胞胎的方式將兩者聯系起來。這個過程被稱為糾纏交換（entanglement swapping），在遙遠的端點Alice和Bob之間創建了一個鏈接。其他的中繼器可以將Alice連接到Carol，將Bob連接到Dave，最終跨越很遠的距離。

菲格羅亞將他建造這種設備的動力追溯到他2008年在卡爾加里大學的博士學位論文答辯。這位出生于墨西哥的年輕物理學家描述了他如何將原子與光糾纏在一起之后，一位理論學家問他要如何處理這個裝置。“當時我真丟臉，我沒有答案。對我來說，這是一個我可以玩的玩具。”菲格羅亞回憶道。“他告訴我：‘量子中繼器就是你要做的。’”

受到啟發，菲格羅亞在來到石溪之前就在馬克思·普朗克量子光學研究所研究了該系統。他很早就確認商用的量子中繼器應該在室溫下運行——這與大多數量子實驗室的實驗不同，后者在非常冷的溫度下進行，以最大限度地減少可能擾亂脆弱量子態的熱振動。

菲格羅亞希望將銣蒸氣作為中繼器的一個組件，即量子存儲器。銣原子是鋰和鈉的同族元素，對科學家很有吸引力，因為它們的內部量子態可以通過光來設置和控制。在菲格羅亞的實驗室中，來自分頻晶體的糾纏光子進入每個包含 1 萬億個左右銣原子的塑料細胞（cells）。在那里，每個光子的信息被編碼為原子之間的疊加，在那里它持續幾分之一毫秒——這對于量子實驗來說非常好。

菲格羅亞仍在開發第二階段的中繼器：使用計算機控制的激光脈沖來糾正錯誤并維持云的量子態。然后，額外的激光脈沖會將攜帶糾纏的光子從存儲器發送到測量設備，以與最終用戶發生糾纏。

盧金使用不同的介質構建量子中繼器：包裹在鉆石中的硅原子。傳入的光子可以調整硅電子的量子自旋，從而產生潛在的穩定記憶。論文中，他的團隊報告捕獲和存儲量子態的時間超過五分之一秒，遠遠長于銣存儲器。2020年一篇發表在 Nature 上的文章中指出，盡管必須將鉆石冷卻到絕對零上幾分之一度的范圍內，但盧金表示制冷器正在變得緊湊和高效， “現在這是我最不擔心的。”

在代爾夫特理工大學，魏納和她的同事也在推動鉆石方法，但使用氮原子而不是硅。上個月在 Science 雜志上，該團隊報道了在實驗室中糾纏三顆鉆石，創建了一個微型量子網絡。首先，研究人員使用光子糾纏了兩種不同的鉆石：Alice和Bob。在Bob中，糾纏從氮轉移到碳核中的自旋：一種長壽命的量子存儲器。然后在Bob的氮原子和第三顆鉆石Charlie之間重復糾纏過程。研究人員對 Bob的氮原子和碳核進行聯合測量然后將糾纏轉移到第三顆鉆石，即Alice到Charlie。

實驗負責人、代爾夫特理工大學物理學家羅納德·漢森（Ronald Hanson）說，盡管該實驗距離比現實世界的量子網絡需要的距離短得多、效率也低得多，但可控的糾纏交換證明了量子中繼器的工作原理，這是“從未被做過的事情”。

潘建偉的團隊還展示了一個部分中繼器，其中原子云作為量子存儲器。但在2019年發表在 Nature Photonics 上的一項研究中，他的團隊展示了一個完全不同的早期原型：通過平行光纖發送大量的糾纏光子，至少有一個可能在旅途中幸存下來。潘建偉說，雖然這可能避免對中繼器的需求，但該網絡需要能夠糾纏至少數百個光子，而他目前的記錄是12個光子。使用衛星產生糾纏是潘建偉正在開發的另一項技術，也可以減少對中繼器的需求，因為光子在太空中的存在時間比通過光纖長得多。

大多數專家都認為，真正的量子中繼器還需要數年時間，最終可能會使用當今量子計算機中常見的技術，例如超導體或俘獲離子，而不是鉆石或原子云。這樣的設備需要捕獲幾乎所有擊中它的光子，并且可能需要至少幾百個量子比特的量子計算機來校正和處理信號。從某種意義上說，更好的量子計算機可以推動量子互聯網的發展——這反過來又可以增強量子計算。

6. 在真實世界建設量子網絡

在物理學家努力打造完美中繼器的同時，他們正在將單個大都市區內的站點連接起來，因為它們不需要中繼器。在2月發布到 arXiv 的一項研究中，菲格羅亞將他的實驗室中兩個原子云存儲器中的光子通過79公里的商業光纖發送到布魯克海文國家實驗室，在那里光子被合并——代爾夫特理工大學的小組朝著這種端到端類型的糾纏邁出了一步。到明年，他計劃在他的大學和他的創業公司Qunnect的紐約辦公室之間部署兩個量子存儲器，并把它們壓縮到一個微型冰箱的大小，看看它們是否能提高光子在旅途中幸存下來的幾率。

波士頓、洛杉磯和華盛頓特區也正在建設量子網絡，兩個網絡將把伊利諾伊州的阿貢國家實驗室和費米國家加速器實驗室與芝加哥地區的幾所大學連接起來。代爾夫特理工大學的研究人員希望很快將他們創紀錄的長期糾纏擴展到荷蘭海牙的商業電信設施，而其他新興網絡正在歐洲和亞洲不斷發展。

這些量子網絡最終目標是使用中繼器將這些小型網絡連接到洲際互聯網。但首先，研究人員面臨著更簡單的挑戰，包括建造更好的光子源和探測器、最大限度地減少光纖連接處的損耗，以及在特定量子系統（例如原子云或鉆石）的固有頻率和電信光纖傳導的紅外波長之間有效地轉換光子。“那些現實世界的問題，”齊默曼說，“實際上可能比光纖衰減的問題更大。”

圖3：微小鉆石中的雜質原子（如該芯片的核心）可以存儲和傳遞量子信息。

7. 量子網絡的未來

有些人懷疑這項技術是否是在炒作。“糾纏是一種非常奇怪、非常特殊的性質”，陸軍研究實驗室的物理學家庫爾特·雅各布斯說， “它不一定適用于所有類型的應用程序。” 例如，對于時鐘同步，與經典方法相比量子網絡的優勢僅體現在糾纏設備數量的平方根上，量子網絡需要連接9個設備才能獲得經典網絡3倍的收益。三倍增益需要連接九個時鐘——可能會遇到高于它的價值的問題。“擁有功能性量子網絡總是比經典網絡更難。”雅各布斯說。

對于這種懷疑，芝加哥大學的物理學家大衛·奧沙洛姆（David Awschalom）反駁說，“我們正處于量子技術的晶體管階段。” 晶體管于1947年被發明出來，幾年之后，公司才發現它在收音機、助聽器和其他設備中的用途。如今，每一臺新電腦、智能手機和汽車的芯片中，都蝕刻了數以億計的晶體管.

未來幾代人可能會像我們懷念阿帕網（ARPANET）一樣回望此刻——作為互聯網的純嬰兒版本，阿帕網的巨大潛力當時沒有得到認可和商業化。“你可以肯定，我們還沒有想到這項技術將做的一些最重要的事情”，奧沙洛姆說：“如果你相信已經做了最重要的事情，那說明你太傲慢了。”

原文地址：

https://science.sciencemag.org/content/372/6546/1026

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原標題：《Science：邁向量子互聯網》

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