量子网络到底是什么？

虽然目前可以使用 Signal 等应用发送加密信息，但没有哪个系统是完全不可破解的。但有一天，加密可能会变得更加难以破解——这要归功于利用量子力学的网络，量子力学是物理学中一门深奥的分支，它在最小的尺度上控制着宇宙。

你几乎肯定是在一台电子设备上读到这个故事，这台电子设备最基本的工作原理是使用硅基晶体管构建的位。在非量子世界，也就是科学家所说的“经典”世界，每个位都只有一个数字：零或一。

量子设备使用自己的量子比特，即“量子位”（发音为“Q-bits”），它们遵循量子力学规则。这使得量子位能够以奇特而奇妙的方式运作。例如，量子位可以同时保持零和一。

量子网络可以传输这些奇妙的量子比特：例如光子，科学家可以通过支撑传统互联网的光纤线路发送它们。

这些网络仍处于实验阶段，用于将量子设备连接在一起。卡尔加里大学专门研究量子光学的研究员克里斯托夫·西蒙说：“现在量子计算机真的开始建造了，人们真的开始更认真地考虑将它们联网。”

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制造量子计算机已经很困难了，而制造更大的量子计算机更是难上加难。“因此，扩大处理能力的一种方法是将几台联网的量子计算机连接起来，从而创建一台‘超级’量子计算机，”美国国家标准与技术研究所的物理学家奥利弗·斯莱特里说。

但量子网络最初的（也是最为人所知的）用途是建立理论上比极易出错的传统互联网上任何东西都更加难以捉摸的连接。

这些超安全连接利用了量子纠缠原理。简单来说，你可以创建“纠缠”的粒子。如果你观察其中一个粒子的状态，就会影响其纠缠伙伴的状态，无论另一个粒子距离你有多远。

你可以用它来加密信息。假设你想向隔壁城市的间谍朋友发送一条消息。你们俩都会收到一对纠缠光子中的一个。测量这些光子的状态将为你和你的同事提供一个唯一的密钥，你可以用它来加密消息，而你的朋友也可以用它来解密。

如果有人试图窃取密钥，这一行为就会影响光子，你就会知道。普林斯顿大学电气与计算机工程教授娜塔莉·德莱昂 (Nathalie de Leon) 表示：“你不可能在不被人察觉的情况下窃听和测量信道。此外，你也不能直接拦截和复制信息。”

由于另一个量子怪癖，即“不可克隆原理”，你无法复制量子比特。但这个原理也是量子网络的致命缺陷。如果你通过线路发送量子比特，那么它只能传到一定距离，然后就会消失。在传统互联网中，你只需转发该信息即可。但在量子世界中，这行不通，因为你无法复制量子比特。

因此，目前的量子网络只能将量子比特发送到几公里外。这意味着，如果你现在通过光纤发送量子比特，你无法在比城市更大的范围内进行。

“要想在更远的距离做任何事情都需要全新的技术，”德莱昂说。有捷径可走，但这些捷径不一定安全。它们就像通过中间人传递信息一样——而你不能总是相信中间人。

也可以完全不使用光纤，而是通过研究人员所谓的“自由空间”——也就是露天——来发送量子比特。这就像将一道光从一个山顶闪到另一个山顶。你需要亲眼看到另一边，这在大多数情况下是不切实际的。而且它很容易受到大气干扰。

但它确实可以在太空真空中工作。2017 年，中国卫星 QUESS 得以将量子比特从轨道“传送”到地面。虽然速度缓慢，效率不高，但 QUESS 背后的科学家（以及中国政府）希望这项技术能够成为量子卫星网络的基础。

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尽管这一成就令人印象深刻，但德莱昂表示，它建立在现有工作的基础上。“这是一次非常重要的示范……我认为我们作为一个社区确实学到了很多东西，”她说。“但他们所做的一切，你十年前、十五年前就可以记录下来了。”

尽管如此，一些科学家还是将注意力转向了这一点，他们正在建造地面站来接收来自太空的量子比特。很快 QUESS 就不再孤单了：另一颗卫星 QEYSSat 将由来自加拿大机构的多位科学家管理，其中包括克里斯托夫·西蒙。

“我们正在确定什么是可能的和合理的，”西蒙说。“坦率地说，我们正在考虑下一颗[卫星]。”

那么，所有这些连接最终能否演变成“量子互联网”呢？毕竟，当今的传统互联网最初只是实验室和大学之间尚不成熟的连接网络。

要实现这一目标还有很长的路要走，一路上还要克服不少技术难题。例如，量子计算机需要在超低温下运行，几乎不高于绝对零度。但大多数光纤电缆无法在超低温下运行。因此，两者之间的任何连接都需要克服温差。

但或许最大的挑战是，没有人就量子网络的实际构建方式达成一致。当今的量子网络大多使用相对简单的设备。展望未来，科学家们正试图构建更复杂的节点，这些节点可以使用量子技巧，绕过不可克隆原则，并构建更长的量子网络。

德莱昂说道：“我们还没有……发现类似硅基晶体管的东西。”

一些研究人员希望通过将量子比特困在铷蒸汽中来读取它们。其他人则希望用磁铁和激光笼来做类似的事情。德莱昂的团队想使用一种（字面意义上的）璀璨之物：钻石。钻石中一种称为“氮空位中心”的缺陷可以充当一种量子存储器。

德莱昂表示：“基本单位仍有待争夺。”

除非解决这些基本问题，否则量子网络在很大程度上仍将局限于实验室。尽管量子网络可能令人好奇，但它们不太可能在短期内完全取代互联网。

“几乎可以肯定，经典网络需要与量子网络同时运行，才能使其具有实际用途，”斯莱特里说。