量子網路怎麼建設

『壹』 美國創建出迄今為止距離最長的單向量子網路

美國布魯克海文國家實驗室和紐約石溪大學最近的在兩個實驗室之間建立了一個單向量子網路，從而在創建量子互聯網的道路上達到了一個里程碑。

雖然研究人員繼續讓量子計算機的能力越來越強，但普通計算機仍然擁有巨大的優勢。它們的數據，以0和1的序列表示，可以在信息高速公路上行駛。而量子計算機則運行在0和1的量子疊加上，無法使用互聯網進行相互通信。

世界各地的多個項目正在努力創建一個量子互聯網，一個量子計算機可以共享和交換信息的網路。布魯克海文國家實驗室和紐約石溪大學合作的項目證明來自兩台遙遠的量子計算機的量子比特可以在第三個地點糾纏在一起。

值得注意的是，研究人員是在標準的互聯網電纜上完成的，這是創建量子互聯網的關鍵一步。

費米國家加速器實驗室研究副主任、費米實驗室量子研究所負責人約瑟夫·萊肯說："構建量子互聯網的挑戰是，可以在多大程度上通過我們用於正常通信的那種光纖網路獲得量子信息？這真的很重要，他們在布魯克海文國家實驗室到紐約石溪大學做的距離比我認為幾乎任何距離都要長。"

量子計算機不是經典計算機的超級強大版本。相反，它們是一種全新的計算方式。理論上，量子計算機可以利用疊加和糾纏等量子力學概念來解決某些類型的問題，比如，加密數據或模擬化學反應時出現的問題，量子計算比傳統方法快得多。

量子計算技術仍處於發展的早期階段，許多最有前途的應用仍未實現。

同樣，量子互聯網也不會是今天互聯網的超快和安全版本。相反，它可能會有在計算機之間傳輸量子信息的特殊應用。為了做到這一點，計算機的量子比特被糾纏在一起，這意味著它們被置於疊加狀態，其中它們獨立的可能量子狀態變得相互依賴，然後量子比特成為一個單一的量子系統。測量其中一個量子的狀態會打破疊加，立即影響其他量子的狀態，這一測量/糾纏過程就是量子信息的傳輸方式。

兩台量子計算機之間的糾纏已經在實驗程度上實現了好幾年，但布魯克海文和石溪的團隊現在已經更進一步。 他們創造了美國最長的量子網路，他們證明了兩台量子計算機可以通過第三個節點進行糾纏 。這是建立量子互聯網路的第一步，在這個網路中，許多計算機可以通過一個中心節點相互 "對話"。

為了做這個實驗，研究人員面臨著量子系統特有的挑戰。為了讓組成量子位的量子粒子糾纏在一起， 粒子必須到達節點時完全無法區分彼此， 即使它們是通過不同的路徑到達那裡的。路徑越不同，就越困難，並且布魯克海文和石溪之間的網路是在傳統的光纜上運行的，這些光纜長達數英里，要從長島的街區和高速公路下穿過。

布魯克海文計算科學計劃的主任克里斯汀·克萊斯·范丹說："到處鋪設新的電纜其實並不可行，所以能夠利用已有的東西是很重要的。"

傳輸的量子粒子時，與其環境之間的任何意外相互作用都可能使其與其它粒子區分開來。但盡管有潛在的干擾源，實驗還是能夠證明，這些粒子可以在傳統的基礎設施上傳輸超過70公里，並且仍然能夠到達無法區分的程度。

石溪大學的量子物理學家、該項目的首席科學家伊登·菲格羅亞說："我們的研究證明了這些光子可以被糾纏，測量會有效。"

最近的實驗是單向的：量子計算機將他們的量子位發送到節點，但節點只是簡單地確定它們是否可以被糾纏，並沒有發送任何東西回來。菲格羅亞說，下一步是糾纏計算機的量子記憶，這將類似於鏈接兩個傳統計算機的硬碟。

菲格羅亞說："未來，我們希望不再只是記憶，而是將計算機糾纏起來，不僅僅是連接硬碟，還包括處理單元。當然，這並不容易。"

量子互聯網剩下的障礙是研究問題和基礎設施問題的混合。其中一個問題是，在量子計算機之間操縱量子比特需要同步和監督，而傳統比特的管理則不需要。這意味著，雖然量子計算機不能直接在互聯網上交換量子信息，但它們仍然需要使用互聯網的傳統計算機進行通信。

能源科學網路主任英得·蒙加說："如果沒有經典網路，你不可能建立一個量子網路並取得成功。你必須通過經典網路控制、管理和同步量子設備，才能真正在量子網路的兩端之間傳輸信息。"

蒙加和菲格羅亞表示，這種對傳統互聯網的依賴意味著構建量子互聯網的努力是非常跨學科的。它需要基礎量子計算研究以及通信基礎設施工程方面的專業知識。

蒙加表示："研究問題和工程問題一樣多。要想真正實現量子互聯網的願景，就需要人和資金之間進行強有力的合作，不僅要解決基礎物理學研究問題，還要解決真正宏大的工程挑戰。"

量子互聯網的一個核心障礙是菲格羅亞所說的 "量子通信的聖杯"：量子中繼器。 量子中繼器的工作原理就像一個放大器，它接收量子信息信號並將其傳遞出去，這樣計算機之間的糾纏就可以在更遠的距離上發生。這對於製造一個遠距離傳輸的量子互聯網是必要的。但是有一個問題：任何與量子比特的互動都會打破它的疊加，而對於信息的傳輸來說，這在量子比特到達目的地之前是不可能發生的。一個真正的量子中繼器將能夠在不與量子比特互動的情況下放大量子比特，這是一個看似矛盾的任務。

最近的實驗實質上是半個量子中繼器。范丹和菲格羅亞認為在不久的將來就能完成一個量子中繼器。菲格羅亞說，可能最快在2022年完成。他們計劃將糾纏傳輸到布魯克林的第三個實驗室，但需要一個量子中繼器來實現。

菲格羅亞說："我們希望幾年後真的有一個帶中繼器的工作系統。當我們能夠證明量子中繼器連接的那一刻，你只需要一次又一次地復制相同的架構，來連接那些彼此越來越遠的地方。"

他認為，10-15年後，紐約州的量子網路就能橫跨紐約州。

最後一個障礙則要遙遠得多，在未來，紐約量子網路與阿貢國家實驗室和芝加哥大學正在建設的網路，或者歐洲正在建設的網路相連接。這些網路的建設使用的是根本不同的量子計算機。紐約網路使用的計算機，其量子被嵌入到單個被困原子中，而其它網路則使用所謂的固態系統來製造和操縱量子，這兩種量子計算機以完全不同的架構進行計算。

菲格羅亞說："你可以想像，實際的量子互聯網將是一個基於固態的量子計算機的集合，比如芝加哥的量子計算機和基於原子的量子計算機，比如我們這里的量子計算機，我們必須找到一種方法來連接所有的量子計算機，以真正拿出量子互聯網的第一個原型。那將是非常酷的，會像科幻小說一樣。"

2020年7月，美國能源部發布了他們創建國家量子互聯網的戰略藍圖。這項工作包括布魯克海文-石溪項目和阿貢-芝加哥大學項目，而這兩個項目又都得到了美國其他國家實驗室的研究支持，比如費米國家加速器實驗室，以及勞倫斯伯克利、橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯國家實驗室。

菲格羅亞表示："量子計算浪潮正在向量子網路發展，因為，除非你把量子計算機連接到這個量子互聯網中，否則它們的應用將受到限制。所以，現在是做這類實驗的好時機。"

『貳』 全球量子網路雛形國際空間站將演示量子通信技術

2022年，國際空間站將開展一項名為「空間糾纏退火量子實驗」(SEAQUE)的小型實驗，在太空環境中測試量子通信技術和探測器修復技術，這可能為未來的全球量子網路建設奠定基礎。

在特定問題上量子計算機的運行速度有望比傳統計算機快上數百萬倍，分布式量子感測器可以通過測量重力的微小變化，讓人們對地球和宇宙產生新的認識。但量子計算機和量子感測器的通信都離不開專用的量子通信網路。未來量子通信網路的一個重要組成部分是太空節點，能夠利用自由空間光通信(Free Space Optical Communications)，以光波為載體，在真空或大氣中傳遞信息的通信技術，將接收和傳輸量子數據到地面。

SEAQUE實驗主要用於證明兩項技術的可行性。第一項技術是能夠讓量子通信網路節點將相隔很遠的量子發射器和接收器，安全地連接在一起的量子通信技術。要做到這一點，量子通信網路的節點就必須產生並檢測成對的糾纏光子，這些光子最終能被傳輸到地面上的量子計算機，為量子雲計算提供基礎。量子雲計算是一種無論計算機在何地，都能夠通過雲端交換和處理量子數據的方法。

該實驗需要測試的另一項技術是通過激光定期修復太空輻射對節點探測器引起的損傷。量子通信網路的太空節點將需要高靈敏度的探測器，以接收來自地球表面的單光子量子信號。當來自太空的高能粒子或輻射撞擊位於這些節點的探測器時，會使探測器的信息輸出中產生雜訊，並最終「淹沒」地面上的所有量子信號。

此外，長時間的太空輻射會使探測器嚴重退化，需要定期及時更換，從而影響到全球量子通信網路的通信質量。因此，如何使太空節點的探測器能從輻射損傷中「自愈」，維護好太空的精密儀器來延長節點壽命，是全球量子通信網路將面臨的一大挑戰。

「展示這兩項技術為未來的全球量子網路奠定了基礎，這種網路可以將相距數百英里甚至數千英里的量子計算機連接起來。」NASA噴氣推進實驗室(JPL)的SEAQUE實驗聯合研究員Makan Mohageg說道。

SEAQUE實驗是一個全球性的實驗項目，由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(UIUC)科學家帶領實驗，項目合作夥伴包括：美國NASA噴氣推進實驗室(JPL)、美國太空服務公司Nanoracks、加拿大滑鐵盧大學和新加坡國立大學等。

『叄』 中國的量子技術的發展

我國量子通信方面的理論研究起步雖然相對滯後，但在實驗上幾乎是與國外同行同步進行:早在1995年，中國科學物理所首次以BB84協議方案在國內完成了演示實驗。2000年中科院物理研究所和中科院研究生院合作完成了國內第一個850納米波長全光纖1.1KM量子保密通信實驗。2003年，中國科學技術大學中科院量子通信重點實驗室成功地在校園內鋪設了總長為3.2KM的量子通信系統。2005年，中國科學技術大學郭光燦院士領導的科研小組通過現有光纜線路在北京和天津之間實現在125KM量子通信原理性實驗。2006年，中國科學技術大學潘建偉教授領導的科研小姐，利用糾纏光子對實現了不受外界干擾的量子密碼傳輸2008年10月，潘建偉小組構建了基於商用光纖和誘變態相位編碼的3節點量子通信網路，節點間距離20KM，實現了實時網路通話和3方對講功能。這一成果的發布早於歐洲科學家發布的量子通信網路系統，使得潘建偉小組成為國際上報道的兩個嚴格安全的實用化量子通信網路實驗研究小組之一。2016年，在我國大漠深處的酒泉衛星發射中心，中國首顆量子通訊衛星「墨子號」成功升空，其在天地之間的數據傳輸，實現了人類歷史上首次量子通信，為今後構建量子通信網路先行試驗。2017年，全線貫通運行的京滬干線實現了與「墨子號」衛星的連接。這條不同凡響的高鐵干線採用了量子密鑰和量子網路等眾多技術，是全球第一條採用量子通信的鐵路。事實上，中國的量子通信技術已經達到世界頂尖水平，領先歐美國家不止一個身位。世界上首個光量子計算機在我國面世，其計算能力遠遠超出天河系列超級計算機。不僅如此，而且國內企業也正與研究機構在加強合作，共同推進量子產業化的進程。

『肆』 量子網路的突破

美國的科學家
美國的科學家已經利用一束強激光轟擊一團銣原子，生成了具備這團銣原子量子態的單個光子，然後把這個光子傳送到100米長的光纜，輸送到另一團銣原子中，生成了與原來的銣原子同樣量子態的另一團銣原子，光子攜帶的量子態信息沒有絲毫損失，從而實現了原子與光子的量子態傳輸。
誇祖魯－納塔爾大學
南非誇祖魯－納塔爾大學量子技術中心的研究人員，在量子密碼領域的光子加密技術應用研究方面取得重大進展，他們成功地將基於光子加密技術的計算機安全系統應用到南非德班市的一個小型網路中。
彼得魯喬內
負責此項研究的量子物理學家弗蘭塞斯科·彼得魯喬內介紹說，利用光子對數據進行加密，是一種絕對安全的信息傳遞方法。該方法背離現有的數學運演算法則，與傳統的信息傳遞方法大相徑庭。它利用的是一種量子力學現象——量子糾纏，又稱量子纏結，要想破譯它的密碼是非常困難的。而且，使用該技術的網路安全系統非常敏感，如果有人對兩個正在通訊聯絡的人進行竊聽或刺探干擾，通訊雙方可以立即察覺到。
彼得魯喬內認為，理論必須應用到現實中。「智能城市」計劃已經讓眾多的學生受益，因為它可以讓學生有機會在現實環境中檢驗實驗室中創造的技術。但要吸引更多的學生來研究量子物理，就必須有更多的發明，使量子技術能創造更多的就業機會。
德班市
作為該項目的資助方之一，德班市目前已將該技術應用到一個小型網路中，該網路由兩個診所、一個市政中心和一個消防站組成。這使德班成為南非第一個擁有量子網路的城市，同時這也是德班市建設「智能城市」計劃的一部分。該市的管理者相信，量子信息和通訊技術不僅會促使市政當局轉型為一個由高技術信息驅動的組織機構，而且會讓德班成為未來技術的「孵化器」。

『伍』 Science：邁向量子互聯網

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路正在形成。

撰文 | Gabriel Popkin

譯者 | 潘佳棟

審校 | 劉培源、晏麗

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，並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，然後輕輕地將它們編碼的信息存入等待的原子雲 （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製了這個裝置，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路的薄弱環節而努力：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感測器的研究中，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。就像網路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，這一願景和網路的這一方式相似。

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解析度的陣列、精確地同步時鍾、為金融和選舉建立安全的通信網路、並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像過的應用程序。

然而，將這些脆弱的聯系放入溫暖、嗡嗡作響的世界並非易事。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路中的等價物。光中繼器是當今電信網路的組件，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，並表示他們在構建擴展網路的道路上進展順利。「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路原型。」

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） 向位於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路 （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路。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於更奇特的東西：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演算法，這是經典計算機無法做到的。肖爾的演算法表明，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。

但是建造一台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。由於該領域專注於通用量子計算機，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」。

第一個能夠傳輸單個糾纏光子的量子網路已經初具規模。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2500萬美元用於量子互聯網的研發，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，證明量子網路是有效的，並為該國其他地區提供一個框架，讓其繼續並擴大規模。」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路。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，將最初的鏈接用於安全通信。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 被用於確保瑞士選舉的安全，並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演算法。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。

成熟的量子網路的目標更高。「它不僅會傳輸糾纏粒子」，美國國家標准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）

在量子網路的發展中，科學可能是首先受益的。量子網路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，並使用糾纏光子提取和合並其相位信息，這是超高解析度的關鍵。分布式糾纏量子感測器還可以為暗物質和引力波帶來更靈敏的探測器網路。

量子網路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，而不僅僅是用於解碼它的密鑰，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鍾，並防止在它們之間積累信息的延遲和錯誤。除此之外，量子網路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雲計算的模擬，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於國家實驗室、大學和公司，就像今天的超級計算機一樣。葯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演算法。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。

研究人員對完全糾纏網路 （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公里的兩顆小鑽石中。然後光子被發送到一個中間站，在那裡它們相互作用以糾纏鑽石節點。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並使用它，並且這種聯系持續了長達幾微秒。

然而，更廣泛的網路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：量子網路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、感測器或其他中繼器。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 （可能是鑽石或原子雲） ，糾正在傳輸過程中積累的錯誤，並對其進行處理，直到另一個光子到達。然後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。這位出生於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後，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，後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） 。在那裡，每個光子的信息被編碼為原子之間的疊加，在那裡它持續幾分之一毫秒——這對於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並維持雲的量子態。然後，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：包裹在鑽石中的硅原子。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，遠遠長於銣存儲器。2020年一篇發表在 Nature 上的文章中指出，盡管必須將鑽石冷卻到絕對零上幾分之一度的范圍內，但盧金錶示製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鑽石方法，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鑽石，創建了一個微型量子網路。首先，研究人員使用光子糾纏了兩種不同的鑽石：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。然後在Bob的氮原子和第三顆鑽石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後將糾纏轉移到第三顆鑽石，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路需要的距離短得多、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，其中原子雲作為量子存儲器。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倖存下來。潘建偉說，雖然這可能避免對中繼器的需求，但該網路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，而不是鑽石或原子雲。這樣的設備需要捕獲幾乎所有擊中它的光子，並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。

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雲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，在那裡光子被合並——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，並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倖存下來的幾率。

波士頓、洛杉磯和華盛頓特區也正在建設量子網路，兩個網路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，而其他新興網路正在歐洲和亞洲不斷發展。

這些量子網路最終目標是使用中繼器將這些小型網路連接到洲際互聯網。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 （例如原子雲或鑽石） 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：微小鑽石中的雜質原子（如該晶元的核心）可以存儲和傳遞量子信息。

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， 「它不一定適用於所有類型的應用程序。」 例如，對於時鍾同步，與經典方法相比量子網路的優勢僅體現在糾纏設備數量的平方根上，量子網路需要連接9個設備才能獲得經典網路3倍的收益。三倍增益需要連接九個時鍾——可能會遇到高於它的價值的問題。「擁有功能性量子網路總是比經典網路更難。」雅各布斯說。

對於這種懷疑，芝加哥大學的物理學家大衛·奧沙洛姆 （David Awschalom） 反駁說，「我們正處於量子技術的晶體管階段。」 晶體管於1947年被發明出來，幾年之後，公司才發現它在收音機、助聽器和其他設備中的用途。如今，每一台新電腦、智能手機和 汽車 的晶元中，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。」

本文經授權轉載自微信公眾號「集智俱樂部」。

原文地址：https://science.sciencemag.org/content/372/6546/1026