量子網路哪個國家做的最好

『壹』 荷蘭 QuTech 研究人員創建了世界上第一個多節點量子網路

荷蘭 QuTech 研究中心的研究人員創建了世界上第一個多節點量子網路 ，於4月16日在《科學》雜志上發表了他們的成果，使人類距離量子互聯網更近了一步。

在量子計算機網路中進行計算的兩個以上的量子比特被鏈接在一起成為節點，該系統由三個量子節點組成。量子網路能夠運行現有傳統設備無法執行的大量計算應用程序，例如更快地計算、改進加密技術、創建無法入侵的網路等。

傳統計算機中的「位」是數字信息的基本單位， 而量子位則是量子信息的基本單位，可以是1或0，表示兩個狀態、系統中的兩個可能位置。

得益於量子世界的奇異定律，量子位可以以1和0的疊加形式存在， 直到被測量的那一刻，量子位將隨機塌陷為1或0。 它允許一個量子位同時執行多個計算，是量子計算強大能力的關鍵。

將量子位鏈接到一個量子網路中，最大的挑戰是建立和維持一個稱為「糾纏」的過程。 當兩個量子位耦合的時候、它們的性質相互關聯，即使彼此相隔很遠，一個粒子的任何變化也會引起另一個粒子同樣的變化。 這使得科學家可以通過改變糾纏夥伴的狀態、從而有效地傳送信息。

可以通過多種方式糾纏量子節點，一種常用的方法是先將靜止的量子比特與光粒子糾纏在一起，然後相互發射光子。當它們相遇時，兩個光子發生糾纏，從而糾纏了量子位。但是，保持糾纏狀態是一項艱巨的任務，因為糾纏的系統會有干擾外界的風險，並且會被稱為「不相乾性」的現象所破壞。

這意味著必須將量子節點保持在極低溫度下，在稱為低溫恆溫器的設備內，最大程度地降低量子位干擾外界的可能性。其次，糾纏中使用的光子在被吸收或散射之前無法傳播很長的距離，從而破壞了在兩個節點之間發送的信號。

根據物理學中的「非克隆定理」，復制量子比特是不可能的，因為復制的前提是測量，而測量一般會改變該量子的狀態。 這限制了可以發送量子信號的距離，如果想建立量子通信，則需要建立中繼節點。

為了解決該問題，該團隊創建了一個具有三個節點的網路，其中光子實質上將糾纏從外部節點之一的量子位「傳遞」到中間節點的一個量子位。中間節點有兩個量子位-一個用於獲取糾纏狀態，另一個用於存儲糾纏狀態。一旦存儲了一個外部節點與中間節點之間的糾纏，則中間節點將其備用量子位與另一個外部節點糾纏在一起。完成所有這些操作後，中間節點將其兩個量子位糾纏在一起，從而導致外部節點的量子位被糾纏。

為了使糾纏的光子以正確的方式發射到節點上，研究人員不得不使用復雜的反射鏡和激光系統，每個節點使用了三到四個激光器，真正困難的部分是確保所有激光器都完全同步。

研究人員的下一步工作將是嘗試進行信息傳遞，同時改善網路計算能力的基本組成部分，以便可以像常規計算機網路一樣工作。目前，所有節點之間的距離都在10至20米之間，將要測試在10公里的距離上建立糾纏。

『貳』 量子通信這么厲害，美國為什麼不發量子通信衛星

導語：量子通信這么厲害，美國為啥不發量子通信衛星？

關於「量子通信這么厲害，美國為啥不發量子通信衛星？」這個問題，小編整理了多個來源的用戶回答，供大家更全面的了解。

1、以下觀點被1352人點贊、並有359個交流討論：

量子通信衛星就是通過衛星，連接地面光纖量子通信網路，形成天地一體化的量子通信網路。它具有保密性超強(目前理論上不能破解)、量子傳態等特點，是世界通信發展的方向。中國科學家在美國《科學》雜志上報告說，中國「墨子號」量子衛星在世界上首次實現千公里量級的量子糾纏，這意味著量子通信向實用邁出一大步。當中國搶先建立了這一個全球網路後，以後誰想共享使用，不僅要經過中國同意，更要接受中國的標准，實際就是第二個互聯網技術，只不過它將由中國掌握。美國國家科技委員會提出的報告《推進量子信息科學：國家的挑戰與機遇》，建議加大對量子信息科學的投入。實際上，美國多個政府部門如國防部、航天局、國家標准與技術研究所（NIST）等早就對量子信息技術研究大量投入。在過去10餘年間，NIST在量子調控和量子信息領域產生了5名諾貝爾物理學獎獲得者。但是西方各個國家包括美國，俄羅斯都還處於理論研究和早期實驗室研究階段還沒有發射量子通信衛星。美國不是不發量子衛星，而是美國現在量子通信領域已經落後中國，而是目前還發不了的問題。中國已經走在世界前列，現在是美國，西方，俄羅斯正在追趕和超過中國的問題。歷史已經顛倒過來了。

2、以下觀點被191人點贊、並有77個交流討論：

缺點是目前只有光子才能實用，因此傳統電磁波傳輸方式失效了，光纜通信是最適合的，只要在兩段發射接受裝置改為量子發射接收機即可，中繼也一樣，不過中繼量子增強還是有點技術難度的。還有，要想確保保密，密碼要一碼一用，密碼要足夠長（與傳統通信一樣），這樣使得量子通信的效率（速率）很低，只能發送文件，不能視頻對話。量子保密通信僅僅採用了軍事編碼方式，使得密碼難以破解，犧牲了傳輸效率，又需要兩條通道分別傳輸密碼和信息。那次與奧地利的視頻對話是犧牲了量子保密密碼長度，只是利用了墨子號衛星的通訊中繼進行常規通信，而不能稱為真正意義的量子通信。也可以這么認為，因為目前世界上量子通信技術就只達到這個高度，而我國由於國家經費支持，做到世界上量子通信長度最長（京滬干線有千公里級），實現了星地傳輸（自由空間傳輸），實事求是講是世界領先的。就目前的技術水平，量子通信其實沒有現實意義，傳輸速度慢，不是全天候工作，也不能做到完全無法破解（不是量子糾纏方式），除非有更先進技術，量子通信註定是個擺設。

3、以下觀點被116人點贊、並有11個交流討論：

量子通訊是否厲害姑且不論，但必須顛覆兩個思維習慣。好東西都是美國搞出來的，其它國家只能跟在後面爬行追趕。美國不感興趣的東西都用處不大，誰要搞是冤枉燒錢，得不償失。美國長期引領著世界科技革命，至今在科技眾多領域仍遙遙領先，這無可置疑。但在世界科技革命方興未艾的今天，美國不再萬能！例如高鐵科技，就從來不是美國的強項；航母電磁彈射飛機、第五代隱身戰機等，也不再是美國獨家專利；在特變高壓輸電的技術原創上，美國只有給中國當學生的輩份。量子科學的應用研究，中國走在了最前沿，中國發射量子通訊實驗衛星，並成功完成了預先設置的科研項目，在量子通訊密鑰分發、光子遠距離糾纏等，取得的成果是世界領先的。美國沒發射量子通訊衛星，不是沒興趣，而是能力還不具備（對美國科技說「不」，不適應吧？沒關系，請以後逐漸適應）。在量子通訊科技研究領域，美國在中國面前，不是「守」，而是「追」。

4、以下觀點被104人點贊、並有325個交流討論：

我們拋開是不是量子通信不談，拋開密鑰分發能不能成功不談。過去通信也是要加密的，有的加密是利用演算法進行的，也就是沒有密碼。沒有密碼既然能解密，你發了密鑰，相當於我不知道密碼，我就不能解密了？傻子才信！密鑰分發用的是微弱的偏振光，對方都未必能不受干擾地接收到，如果被截獲，對方當然接收不到了，可是敵方會傻到截獲你的密鑰嗎？除非敵方是為了破壞你通信而不是為了破獲你通信內容，那樣它可以用強光不斷干擾你的密鑰分發鏈路，你就永遠發不出密鑰了。醒醒吧，我的國！我愛這個國家，我愛這片生我養我的土地，我為我的祖國母親擔憂啊！知我者謂我心憂，不知者謂我何求。

5、精彩回答：

美國在傳統電磁領域的霸主地位奠定了美國科技發展的領頭羊地位，這也上其它國家尤其是不對付的國家如鯁在喉！海灣戰爭和科索沃戰爭讓全世界為之顫抖，所以開發一種或多種能夠繞開美國傳統電磁霸權的通訊技術就顯得迫在眉睫。量子通訊的保密效果非常好，這就讓美國引以為傲的監聽措施成了擺設！弄不清楚敵方的具體情報，美國軍隊就不敢貿然行動！量子通訊把美國從高高在上的一覽眾山小一下子拉下馬，甚至不能和新興科技大國平起平坐而落後！這就讓美國感到憤怒了，怎麼能這樣？這樣不科學啊！以後裝備中國量子通訊技術的軍事設施基本上可以確保不會被監聽，這就能讓美國軍隊在動手前三思再三思！這么好的效果美國為啥沒有呢？那是因為該技術就是為了對付美國而發展的，等美國知道了都已經晚了！因為技術先驅們已經量產了量子通訊設備，一旦打起來失去電磁優勢的美軍就危險了！以前那種戰場上來去自如的情況只能偶爾在三流國家可以實現

『叄』 量子科技是多國戰略布局重點領域，對比來看，為何這個比較重要

至於中國公牛在這方面，據傳中國已經掌握了世界上最好的光學晶體製造技術。在量子實驗中，單光子和柔性光子的制備是通過激光照射特殊晶體來實現的，找到合適的晶體會增加光子成功制備的可能性，而中國現在有一種技術是世界上最好的光學晶體。盡管中國的量子通信衛星實驗似乎已經成功，但平均技術難度非常大。

很多國家都有令人擔憂的粒子製造裝置，要把這種裝置直接帶上天空是沒有什麼的，實驗可以做什麼。量子衛星「墨丘羅」號成功完成了所有實驗任務，因為前幾天中國在衛星上經歷了大量論證，掌握了一系列技術難題。很多朋友認為中國人實施的技術非常普通，其實這並不奇怪，正如當年達戈爾得知的答案一樣，中國製造氫彈並將其微型化！因為在氫彈的道路上，法國遇到了如此多的失敗，以致一再、三次都沒有成功！但事實證明，氫彈並不是那麼有趣，中國人製造它並不是因為它可以在全世界製造，而是因為我們有足夠的技術，給全世界帶來希望！

『肆』 世量子計算方面，最強的是中國還是美國

目前，在量子科學領域，中國和美國正在爭奪霸權，總體上，中國和美國領先於世界其他國家。中美在量子科學領域誰強誰弱？韓國KBS電視台10月24日做了相應報道，認為中國在量子通信領域排名世界第一，領先於美國，但就整體量子計算而言，美國優於中國。

其他國家整體落後於中國和美國，各地區各有所長。歐洲在量子計算方面的科研成果很多，而日本、韓國、新加坡等國家則以量子通信為主，但只涉足量子計算的研發。

『伍』 量子技術有多厲害現在都掌握在哪些國家手中

隨著科技的發展，人類對於宇宙的探索也愈加了解。從古代的天圓地方到現在的宇宙大爆炸。從以前的萬有引力到現在的引力波宇宙，展現出越來越多的神奇之處給我們。同時在太空探索中，人類的科技也在不斷的進步，最開始的時候我們只能通過簡單的信號傳輸來進行信息交流。但是現在當人類發現量子力學之後，發現在世界上還有更高效的傳輸和運演算法則。而在這一方面，我們目前已經超越了其他國家，成為世界上目前技術較為成熟的國家。

最為重要的是量子信息特別的穩定，不容易受到其他干擾器的影響。它主要是利用更微小的光子進行成像傳輸信號，所以這就意味著如果信號可以傳輸的話，他完全不會受到對方雷達的影響，可以做到真正的全天候全方位全條件作戰。也正是因為這樣，各國才一直呼籲想讓我們公布量子力學方面的研究。目前掌握量子力學國家並不多，我們已經走在了前端。

『陸』 研究人員在現實環境中達到了量子網路的里程碑

在Alice實驗室的量子設備中，光子源和團隊網路的第一個節點被儲存在那裡。資料來源:卡洛斯·瓊斯/ORNL，美國能源部

來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室、斯坦福大學和普渡大學的一個團隊開發並展示了一種新穎的、全功能量子區域網絡(QLAN)，利用通過光纖的糾纏光子，實現實時調整，以便與ORNL地理隔離系統共享信息。

這個網路展示了專家們如何在實際規模上常規地將量子計算機和感測器連接起來，從而在通往備受期待的量子互聯網的道路上實現這些下一代技術的全部潛力。該團隊的研究成果發表在《PRX量子》雜志上，標志著多年相關研究的頂峰。

連接經典計算設備的區域網並不是什麼新鮮事，qlan已經在桌面研究中成功測試過了。到目前為止，量子密鑰分發是量子通信領域最常見的例子，但這個過程是有限的，因為它只建立了站點之間的安全，而不是糾纏。

「我們正試圖為構建量子互聯網打下基礎，通過理解關鍵功能，比如糾纏分布帶寬，」俄勒岡州國家實驗室的量子信息科學部門負責人尼古拉斯·彼得斯(Nicholas Peters)說。「我們的目標是開發基本工具和構建模塊，展示量子網路應用，這樣它們就可以部署在真實的網路中，實現量子優勢。」

當兩個光子粒子配對或糾纏在一起時，無論它們之間的物理距離如何，它們都顯示出比任何經典方法都更強的量子相關性。這些相互作用使只有使用量子資源才能實現的違反直覺的量子通信協議成為可能。

其中一種協議，遠程狀態制備，通過測量糾纏光子對的一半並有效地將另一半轉換為首選量子態，利用糾纏和經典通信對信息進行編碼。彼得斯在2005年獲得物理學博士學位時，領導了第一個遠程狀態准備的一般實驗實現。該團隊在qlan的所有配對鏈路上應用了這項技術——這是以前在網路上沒有完成的壯舉——並展示了基於糾纏的量子通信的可擴展性。

這種方法使得研究小組能夠將三個遠程節點連接在一起，這三個節點被稱為「愛麗絲」、「鮑勃」和「查理」——這些名字通常用於描述可以通過量子傳輸進行通信的虛構人物——它們位於橡樹嶺國家實驗室的三個不同的研究實驗室，分別位於三幢獨立的大樓里。從包含Alice和光子源的實驗室，光子通過ORNL現有的光纖基礎設施將糾纏分布到Bob和Charlie。

量子網路與放大器和其他經典信號增強資源是不相容的，它們會干擾糾纏光子共享的量子關聯。考慮到這個潛在的缺點，該團隊結合了靈活的網格帶寬配置，使用波長選擇開關來分配和重新分配量子資源給網路用戶，而不斷開QLAN。這種技術提供了一種內置的容錯性，通過這種容錯性，網路運營商可以通過將流量重新路由到其他區域，而不影響網路的速度或安全協議，從而對意料之外的事件(如光纖中斷)作出響應。

」,因為網路的需求可能隨時間變化或不同的配置,你不想有一個系統與固定波長通道總是分配特定的用戶相同的部分,」Joseph luken說ORNL魏格納研究員、研究員以及團隊的電氣工程專家。「相反，你希望根據用戶的需求靈活地為網路上的用戶提供或多或少的帶寬。」

與典型的經典網路相比，量子網路需要每個節點的活動時間更緊密地同步。為了滿足這一要求，研究人員依賴GPS，這是一種通用且經濟的技術，利用衛星數據提供日常導航服務。利用位於Bob實驗室的GPS天線，該團隊與每個節點共享信號，以確保基於GPS的時鍾在幾納秒內同步，並且在實驗期間它們不會漂移。

在獲得了光子探測器捕獲的糾纏光子到達的精確時間戳後，該團隊將這些測量數據從QLAN發送到一個經典網路，在那裡他們從所有三個實驗室收集了高質量的數據。

如果沒有GPS信號，QLAN演示將產生較低質量的數據和較低的保真度，保真度是一種與量子網路性能有關的數學指標，用於測量量子態之間的距離。

該團隊預計，對QLAN的小規模升級，包括增加更多節點和嵌套波長選擇開關，將形成互連網路的量子版本——互聯網的字面定義。

「互聯網是一個由許多小網路組成的大網路，」俄勒岡州立大學博士後研究助理Muneer Alshowkan說，他為這個項目帶來了寶貴的計算機科學專業知識。「量子互聯網發展的下一個重要步驟是將QLAN連接到其他量子網路。」

此外，該團隊的發現可以用於改進其他探測技術，比如那些用於尋找難以捉摸的暗物質證據的技術。暗物質是一種不可見的物質，被認為是宇宙的主要物質來源。

「想像一下，建立量子感測器網路，能夠看到基本的高能物理效應，」彼得斯說。「通過開發這項技術，我們的目標是降低測量這些現象所需的靈敏度，以幫助正在進行的暗物質搜索和其他努力，以更好地了解宇宙。」

研究人員已經在計劃他們的下一個實驗，該實驗將專注於實現更先進的同步計時方法，以減少事故的數量——網路中的雜訊源——並進一步提高QLAN的服務質量。

『柒』 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

『捌』 世界各國中，現在哪國對量子力學的研究走到了最前列

在現在我們這一個全球局勢較為動盪的一個年代當中，各國把科學技術一直當做社會生產的第一發展力，其中包括我們中國也是如此，因為有了科學技術，我們可以研發更多的產品，利用這些產品賺取更多的利潤，從而幫助我們中國能夠實現更繁榮的一個社會。那麼關於在現在的一個世界各國當中，哪個國家對於量子力學的研究只有在最前列？

三、就是關於中國的一個前景。

最後就是關於我們中國的一個前期，雖然說現在我們中國對於量子力學的一個發展，不比以上兩個國家，但是我們的一個力學發展能力也是在世界上位於前列。

『玖』 構建全球首個星地量子通信網的國家是哪個國家

中國。星地量子通信網是由中國潘建偉等學者構建的4600公里、從地面到太空的多用戶量子通信網，根據查詢相關資料顯示：中國為全球首個構建的，其標志著中國已成功構建出天地一體化廣域量子通信網路。

『拾』 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。"