今天的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為黑客們的游樂場。從不安全通信鏈接，到云端未得到充分保護(hù)的數(shù)據(jù)，安全漏洞可謂無處不在。但如果量子物理學(xué)家們能夠拿出自己的解決方案，那么這些弱點可能很快就會被逐一消滅。

通過構(gòu)建起能夠全面體現(xiàn)量子特性的量子網(wǎng)絡(luò)，其中的信息以能夠反映量子世界奇特行為的方式進(jìn)行創(chuàng)造、存儲與移動——這種奇異性，體現(xiàn)在「既死又活的小貓比喻當(dāng)中，也體現(xiàn)在基本粒子的“遠(yuǎn)程鬧鬼”現(xiàn)象之內(nèi)」。這種飛躍，將讓我們從經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的諸多限制中解脫出來。這類系統(tǒng)還能夠提供一定程度的隱私、安全與計算能力，而這是當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)所無法實現(xiàn)的。

雖然全面實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)仍是一種遙遠(yuǎn)的愿景，但最近科學(xué)家們在量子信息的傳輸、存儲與操縱等方面確實迎來了突破，這也使得不少物理學(xué)們相信簡單的原理驗證方案即將出現(xiàn)。

從檢測可能導(dǎo)致光子變色的鉆石及晶體內(nèi)空位，到利用無人機作為遠(yuǎn)程“鬧鬼”節(jié)點，研究人員們正在利用量子科學(xué)探索中發(fā)現(xiàn)的奇異材料與技術(shù)融合出新的解決方案。不少人認(rèn)為，這方面工作的第一階段，是利用標(biāo)準(zhǔn)光纖連接至少相距50至100公里的三個小型量子器件構(gòu)建的量子網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)奧地利因斯布魯克量子光學(xué)與量子信息研究所的Ben Lanyon的說法，這樣一套網(wǎng)絡(luò)有望在未來五年之內(nèi)建成。Lanyon的團(tuán)隊是歐洲量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的成員，該聯(lián)盟由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Stephanie Wehner負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)。該團(tuán)隊的任務(wù)，正是創(chuàng)建這樣一套量子網(wǎng)絡(luò)。在這領(lǐng)域，許多國家都有所行動，比如——2016年，中國發(fā)射了量子通信衛(wèi)星墨子號；美國在去年12月頒布了《國家量子倡議法案》，計劃大力資助那些致力于量子技術(shù)探索的研究中心，包括量子計算機與量子網(wǎng)絡(luò)。代爾夫特大學(xué)的Ronald Hanson表示，“量子網(wǎng)絡(luò)的主要特征在于用戶發(fā)送的是量子信息，而非經(jīng)典信息。”然而，量子信息使用量子比特或者說量子位，其狀態(tài)可能同時處于0和1的疊加態(tài)當(dāng)中。此外，量子比特可以進(jìn)行編碼，例如可被編碼至光子的偏振態(tài)或者電子與原子核的自旋態(tài)當(dāng)中。

>>> 量子網(wǎng)絡(luò)

Hanson同時指出，“量子網(wǎng)絡(luò)幾乎已經(jīng)唾手可得”，其中量子比特已經(jīng)被用于創(chuàng)建密鑰（即由0與1組成的隨機字符串）并可用于編碼經(jīng)典信息。這類應(yīng)用程序，被稱為量子密鑰分發(fā)（QKD）方案。

QKD涉及的一方，例如Alice，向負(fù)責(zé)測量量子比特的Bob發(fā)送量子比特（Alice與Bob的例子最早出現(xiàn)在1978年關(guān)于公鑰加密的論文當(dāng)中，目前這「二位」已經(jīng)成為量子網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典節(jié)點表述）。只有在某些類型的測量當(dāng)中，Bob才能獲得與Alice在量子比特內(nèi)編碼內(nèi)容相同的值。Alice與Bob可以比較公共頻道上的注釋以確定需要測量的內(nèi)容，且無需共享實際量子比特值。在此之后，他們可以利用這些私有值創(chuàng)建秘密的共享密鑰以加密經(jīng)典消息。最重要的是，如果入侵者攔截了量子比特，Alice與Bob就可以檢測到入侵活動，丟棄量子比特并重新開始——這個過程在理論上能夠不斷重復(fù)，直到確認(rèn)無人在其量子信道上進(jìn)行竊聽。

去年7月，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Alberto Boaron及其同事報告稱，他們已經(jīng)利用QKD在超過400公里的光纖記錄距離上分發(fā)密鑰，每秒速率為6.5千比特。相比之下，總部位于日內(nèi)瓦的ID Quantique公司所銷售的商用系統(tǒng)則能夠為QKD提供超過50公里的光纖傳輸距離。

>>> 「ALICE與BOB」的難題

在理想情況下，量子網(wǎng)絡(luò)的實際能力遠(yuǎn)不僅僅是QKD。研究的下一步是在各節(jié)點之間直接傳輸量子態(tài)。盡管使用光子極化編碼的量子比特可以通過光纖進(jìn)行發(fā)送（QKD就采取這種方式），但使用這種量子比特進(jìn)行大規(guī)模量子信息傳輸仍然面臨一大挑戰(zhàn)。光子可能在途中發(fā)生散射或被吸引，因此根本無法在探測器端被記錄下來，這表明傳輸通道并不可靠。幸運的是，我們還有另一種更為強大的量子信息交換方式——即利用量子系統(tǒng)的另一種屬性「糾纏」。

當(dāng)兩個粒子或者量子系統(tǒng)相互作用時，它們就會糾纏在一起。當(dāng)處于糾纏狀態(tài)時，兩個系統(tǒng)都由可由單一量子態(tài)進(jìn)行描述，因此測量其中一個系統(tǒng)的狀態(tài)會立即對另一系統(tǒng)的狀態(tài)產(chǎn)生影響——即使二者相距數(shù)公里。愛因斯坦將這種糾纏稱為“遠(yuǎn)程鬧鬼”，但這種性質(zhì)同時也是量子網(wǎng)絡(luò)的寶貴資源。想象一下兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，Alice與Bob，每個節(jié)點由一些孤立的物質(zhì)（用于編碼及存儲量子態(tài)的可靠基底）組成。這種“物質(zhì)節(jié)點”可以通過涉及糾纏光子交換的過程彼此糾纏在一起。

利用糾纏物質(zhì)節(jié)點，Alice可以利用她的糾纏共享向Bob發(fā)送一個完整的量子比特，但又無需傳輸真正存在的物理量子比特。這就讓傳輸過程變得萬無一失。其中的關(guān)鍵在于，一旦能夠在節(jié)點之間建立起糾纏，那么將量子比特從Alice處轉(zhuǎn)移至Bob處的協(xié)議將具有可靠性與確定性。

但要想實現(xiàn)量子比特的長距離傳輸，首先就要通過標(biāo)準(zhǔn)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行糾纏分配。今年1月，Lanyon在因斯布魯克的團(tuán)隊就報告稱，他們創(chuàng)造了在超過50公里的光纖上實現(xiàn)物質(zhì)與光糾纏的距離記錄。

在此次嘗試中，Lanyon的團(tuán)隊采用了“被困離子”——即通過電磁場限制在光腔當(dāng)中的鈣離子。當(dāng)利用激光進(jìn)行操縱時，該離子最終會被編碼為量子比特以作為兩種能態(tài)的疊加；同時，它還將發(fā)射光子，其量子比特以光子偏振態(tài)進(jìn)行編碼。離子與光子各自的量子比特糾纏在一起，而研究人員的任務(wù)就是通過光纖發(fā)送此光子，同時始終保持這種糾纏狀態(tài)。

遺憾的是，被捕獲的離子會發(fā)射波長為854納米的光子，其在光纖內(nèi)部不會持續(xù)很長時間。因此，Lanyon的團(tuán)隊將發(fā)射出的光子送入所謂非線性晶體當(dāng)中，并利用強大的激光進(jìn)行泵送。整個相互作用會將入射光子轉(zhuǎn)換成另一種“遠(yuǎn)距離通信”波長，而后者非常適合通過光纖進(jìn)行傳輸。

在此之后，因斯布魯克團(tuán)隊將這種光子注入一段50公里長的光纖。一旦光子抵達(dá)另一端，他們立即對離子與光子進(jìn)行測試，觀察二者是否仍然糾纏在一起。好消息是——回答是肯定的。

>>> 糾纏交換

現(xiàn)在，Lanyon團(tuán)隊希望更進(jìn)一步，令兩個距離100公里的被困離子節(jié)點彼此糾纏。每個節(jié)點都會通過50公里的光纖將糾纏的光子傳輸至二者中間的臺站處。在這里，光子將接受測量，測量本身使得兩個光子與各自的離子失去糾纏，但同時又導(dǎo)致離子之間發(fā)生糾纏。結(jié)果就是，相距100公里的兩個節(jié)點將分別通過一對糾纏的量子比特形成量子鏈路。整個過程被稱為糾纏交換。雖然這套系統(tǒng)目前的效率相對較低，但Lanyon表示其足以成為未來更好、更快的交換系統(tǒng)的“良好起點”。

與此同時，來自代爾夫特的Hanson團(tuán)隊還演示了如何利用遠(yuǎn)距離通信波長光子對不同類型的物質(zhì)節(jié)點進(jìn)行糾纏。他們使用了一種被稱為氮空位（NV）中心的鉆石空位。當(dāng)利用氮原子替換鉆石晶體結(jié)構(gòu)中的碳原子時，在與氮原子相鄰的晶格處就會留下空位。該團(tuán)隊利用激光操縱鉆石NV中心處一個“自由”電子開始旋轉(zhuǎn)，使得該電子處于自旋疊加狀態(tài)，從而進(jìn)行量子比特編碼。在這一操縱過程中，研究人員會同時發(fā)射光子，而該光子同時處于兩個連續(xù)時隙之一的疊加狀態(tài)。Hanson解釋稱，“光子始終在那里，但發(fā)射時間則處于早期或晚期的疊加態(tài)。”當(dāng)存儲在電子自旋中的量子比特以及存儲在光子當(dāng)中的時隙內(nèi)存在或不存在量子比特，就此完成糾纏。

2015年，代爾夫特團(tuán)隊放置了兩個在空間上彼此分享的物質(zhì)節(jié)點，分別由相距約1.3公里的鉆石NV中心組成，并通過光纖進(jìn)行連接。在此之后，該團(tuán)隊將每個節(jié)點的糾纏光子傳輸至兩個節(jié)點間路徑的大致中點位置。在中點處，團(tuán)隊進(jìn)行糾纏交換，使得兩個NV中心糾纏在一起。但正如Lanyon的實驗一樣，代爾夫特團(tuán)隊的食品發(fā)出的光子波長為647納米。將該光子直接注入光纖時，其每行進(jìn)1公里強度就會減弱一個數(shù)量級。Hanson表示，“這意味著最大傳輸距離不可能超過數(shù)公里。”

因此在今年5月，代爾夫特團(tuán)隊報告了類似于因斯布魯克團(tuán)隊的應(yīng)對措施，他們同樣采用非線性晶體與激光將光子轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)距離通信波長。利用這種方法，由NV中心及遠(yuǎn)距離通信波長光子編碼的量子比特仍然糾纏在一起，這就為糾纏交換奠定了基礎(chǔ)。

雖然代爾夫特團(tuán)隊還沒有通過任何較長的光纖通道傳輸鉆石糾纏遠(yuǎn)距離通信波長光子，但Hanson堅信他們完全能夠?qū)崿F(xiàn)這一點，最終將利用糾纏交換將相距30公里的兩個鉆石NV中心糾纏在一起。他解釋稱，“我們目前正在構(gòu)建其中兩個節(jié)點。并將使用已經(jīng)埋設(shè)在地下的玻璃纖維實現(xiàn)兩個NV中心的糾纏。”他們的下一個目標(biāo)，是利用荷蘭三座城市之間已經(jīng)存在的光纖基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)節(jié)點糾纏，這些城市間的距離特別適合此次實驗。

>>> 混合與匹配：未來的挑戰(zhàn)

可以看到，斯布魯克與代爾夫特兩支團(tuán)隊只使用到一種物質(zhì)進(jìn)行量子比特的存儲與糾纏。但在現(xiàn)實生活中的量子網(wǎng)絡(luò)，很可能會在每個不同的節(jié)點當(dāng)中使用不同類型的材料，具體取決于實際任務(wù)的確切要求——例如量子計算或者量子傳感。量子節(jié)點除了負(fù)責(zé)操縱量子比特之外，還可能需要在短時間內(nèi)將這些量子比特存儲在所謂量子存儲器當(dāng)中。

瑞士巴塞爾大學(xué)的Marcel.li Grimau Puigibert對此表示：“目前尚不清楚如何選擇正確的平臺與正確的協(xié)議。但能夠?qū)⒈舜瞬煌幕旌舷到y(tǒng)連接起來總是好事。”

為此，Puigibert與卡爾加里大學(xué)的Wolfgang Tittel團(tuán)隊開展合作，并于最近展示了如何讓存儲在兩種不同類型材料中的量子比特實現(xiàn)糾纏。他們首先通過光源發(fā)射出一對糾纏的光子，其中一個波長794納米，另一個為1535納米。794納米光子與摻雜有銩的鈮酸鋰晶體相互作用，使得光子狀態(tài)被存儲在晶體當(dāng)中。1535納米光子則進(jìn)入摻雜有餌的光纖，其存儲有同樣的量子態(tài)。

二者的存儲內(nèi)容都是為了在特定時間重新發(fā)射光子而設(shè)計。該團(tuán)隊分析了重新發(fā)射的光子，證明二者仍然糾纏在一起。反過來，這意味著量子存儲載體在光子發(fā)射之前就已經(jīng)彼此糾纏，并隨著時間推移而始終保持糾纏狀態(tài)。

光子波長在設(shè)計上能夠交叉連接不同的傳輸系統(tǒng)：一端（1535納米）光纖與另一端（794納米）衛(wèi)星通信。后者非常重要，因為如果量子網(wǎng)線條想實現(xiàn)洲際互連，那么必須通過衛(wèi)星進(jìn)行糾纏分配。2017年，由合肥中國科技大學(xué)潘建偉博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，利用中國量子衛(wèi)星墨子號在青藏高原與中國西南地區(qū)的地面站之間實現(xiàn)了糾纏分配。

然而，衛(wèi)星似乎注定不太適合量子網(wǎng)絡(luò)的實際需求。相比之下，接下來的最佳選擇有可能是成本相對低廉的無人機。今年5月，南京大學(xué)的朱世寧及其同事們發(fā)布報告，利用一臺重量為35千克的無人機將糾纏光子送到距離地面200米的兩個量子節(jié)點之上。該項實驗利用節(jié)點之間的經(jīng)典通信鏈路確認(rèn)其收到的光子確實糾纏在一起。此次實驗成功地改變了傳輸條件，能夠在白晝、黑夜甚至是下雨的情況下正常完成。作者們寫道，如果能夠?qū)嶒炛械臒o人機按比例放大并部署為高空無人機，那么地面節(jié)點與空中節(jié)點之間的距離可以延伸至大約300公里。

邁向成熟運作的量子網(wǎng)絡(luò)仍然充滿無窮挑戰(zhàn)，而可靠的量子存儲內(nèi)容只是其中之一。另一個重要的挑戰(zhàn)，在于如何利用所謂量子中繼器將量子鏈路的范圍擴展至任意距離。量子態(tài)不像傳統(tǒng)信息那樣能夠簡單進(jìn)行復(fù)制與反芻。量子節(jié)點將需要復(fù)雜的量子邏輯門，以確保在與環(huán)境相互作用的損失之后繼續(xù)保持糾纏態(tài)。Lanyon總結(jié)稱，“這絕對是接下來的重大挑戰(zhàn)之一。”

盡管如此，現(xiàn)有基本要素仍有望建立起一套連接至少三座城市的量子網(wǎng)絡(luò)，而未來也許最終能夠連接起整個世界。Hanson指出：“我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有了可以真正開始探索量子網(wǎng)絡(luò)的平臺。更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)正在向我們招手。雖然無法保證，但如果能夠獲得成功，那么我們一定能帶來很酷的開發(fā)成果。”