量子网络怎么建设

‘壹’ 美国创建出迄今为止距离最长的单向量子网络

美国布鲁克海文国家实验室和纽约石溪大学最近的在两个实验室之间建立了一个单向量子网络，从而在创建量子互联网的道路上达到了一个里程碑。

虽然研究人员继续让量子计算机的能力越来越强，但普通计算机仍然拥有巨大的优势。它们的数据，以0和1的序列表示，可以在信息高速公路上行驶。而量子计算机则运行在0和1的量子叠加上，无法使用互联网进行相互通信。

世界各地的多个项目正在努力创建一个量子互联网，一个量子计算机可以共享和交换信息的网络。布鲁克海文国家实验室和纽约石溪大学合作的项目证明来自两台遥远的量子计算机的量子比特可以在第三个地点纠缠在一起。

值得注意的是，研究人员是在标准的互联网电缆上完成的，这是创建量子互联网的关键一步。

费米国家加速器实验室研究副主任、费米实验室量子研究所负责人约瑟夫·莱肯说："构建量子互联网的挑战是，可以在多大程度上通过我们用于正常通信的那种光纤网络获得量子信息？这真的很重要，他们在布鲁克海文国家实验室到纽约石溪大学做的距离比我认为几乎任何距离都要长。"

量子计算机不是经典计算机的超级强大版本。相反，它们是一种全新的计算方式。理论上，量子计算机可以利用叠加和纠缠等量子力学概念来解决某些类型的问题，比如，加密数据或模拟化学反应时出现的问题，量子计算比传统方法快得多。

量子计算技术仍处于发展的早期阶段，许多最有前途的应用仍未实现。

同样，量子互联网也不会是今天互联网的超快和安全版本。相反，它可能会有在计算机之间传输量子信息的特殊应用。为了做到这一点，计算机的量子比特被纠缠在一起，这意味着它们被置于叠加状态，其中它们独立的可能量子状态变得相互依赖，然后量子比特成为一个单一的量子系统。测量其中一个量子的状态会打破叠加，立即影响其他量子的状态，这一测量/纠缠过程就是量子信息的传输方式。

两台量子计算机之间的纠缠已经在实验程度上实现了好几年，但布鲁克海文和石溪的团队现在已经更进一步。 他们创造了美国最长的量子网络，他们证明了两台量子计算机可以通过第三个节点进行纠缠 。这是建立量子互联网络的第一步，在这个网络中，许多计算机可以通过一个中心节点相互 "对话"。

为了做这个实验，研究人员面临着量子系统特有的挑战。为了让组成量子位的量子粒子纠缠在一起， 粒子必须到达节点时完全无法区分彼此， 即使它们是通过不同的路径到达那里的。路径越不同，就越困难，并且布鲁克海文和石溪之间的网络是在传统的光缆上运行的，这些光缆长达数英里，要从长岛的街区和高速公路下穿过。

布鲁克海文计算科学计划的主任克里斯汀·克莱斯·范丹说："到处铺设新的电缆其实并不可行，所以能够利用已有的东西是很重要的。"

传输的量子粒子时，与其环境之间的任何意外相互作用都可能使其与其它粒子区分开来。但尽管有潜在的干扰源，实验还是能够证明，这些粒子可以在传统的基础设施上传输超过70公里，并且仍然能够到达无法区分的程度。

石溪大学的量子物理学家、该项目的首席科学家伊登·菲格罗亚说："我们的研究证明了这些光子可以被纠缠，测量会有效。"

最近的实验是单向的：量子计算机将他们的量子位发送到节点，但节点只是简单地确定它们是否可以被纠缠，并没有发送任何东西回来。菲格罗亚说，下一步是纠缠计算机的量子记忆，这将类似于链接两个传统计算机的硬盘。

菲格罗亚说："未来，我们希望不再只是记忆，而是将计算机纠缠起来，不仅仅是连接硬盘，还包括处理单元。当然，这并不容易。"

量子互联网剩下的障碍是研究问题和基础设施问题的混合。其中一个问题是，在量子计算机之间操纵量子比特需要同步和监督，而传统比特的管理则不需要。这意味着，虽然量子计算机不能直接在互联网上交换量子信息，但它们仍然需要使用互联网的传统计算机进行通信。

能源科学网络主任英得·蒙加说："如果没有经典网络，你不可能建立一个量子网络并取得成功。你必须通过经典网络控制、管理和同步量子设备，才能真正在量子网络的两端之间传输信息。"

蒙加和菲格罗亚表示，这种对传统互联网的依赖意味着构建量子互联网的努力是非常跨学科的。它需要基础量子计算研究以及通信基础设施工程方面的专业知识。

蒙加表示："研究问题和工程问题一样多。要想真正实现量子互联网的愿景，就需要人和资金之间进行强有力的合作，不仅要解决基础物理学研究问题，还要解决真正宏大的工程挑战。"

量子互联网的一个核心障碍是菲格罗亚所说的 "量子通信的圣杯"：量子中继器。 量子中继器的工作原理就像一个放大器，它接收量子信息信号并将其传递出去，这样计算机之间的纠缠就可以在更远的距离上发生。这对于制造一个远距离传输的量子互联网是必要的。但是有一个问题：任何与量子比特的互动都会打破它的叠加，而对于信息的传输来说，这在量子比特到达目的地之前是不可能发生的。一个真正的量子中继器将能够在不与量子比特互动的情况下放大量子比特，这是一个看似矛盾的任务。

最近的实验实质上是半个量子中继器。范丹和菲格罗亚认为在不久的将来就能完成一个量子中继器。菲格罗亚说，可能最快在2022年完成。他们计划将纠缠传输到布鲁克林的第三个实验室，但需要一个量子中继器来实现。

菲格罗亚说："我们希望几年后真的有一个带中继器的工作系统。当我们能够证明量子中继器连接的那一刻，你只需要一次又一次地复制相同的架构，来连接那些彼此越来越远的地方。"

他认为，10-15年后，纽约州的量子网络就能横跨纽约州。

最后一个障碍则要遥远得多，在未来，纽约量子网络与阿贡国家实验室和芝加哥大学正在建设的网络，或者欧洲正在建设的网络相连接。这些网络的建设使用的是根本不同的量子计算机。纽约网络使用的计算机，其量子被嵌入到单个被困原子中，而其它网络则使用所谓的固态系统来制造和操纵量子，这两种量子计算机以完全不同的架构进行计算。

菲格罗亚说："你可以想象，实际的量子互联网将是一个基于固态的量子计算机的集合，比如芝加哥的量子计算机和基于原子的量子计算机，比如我们这里的量子计算机，我们必须找到一种方法来连接所有的量子计算机，以真正拿出量子互联网的第一个原型。那将是非常酷的，会像科幻小说一样。"

2020年7月，美国能源部发布了他们创建国家量子互联网的战略蓝图。这项工作包括布鲁克海文-石溪项目和阿贡-芝加哥大学项目，而这两个项目又都得到了美国其他国家实验室的研究支持，比如费米国家加速器实验室，以及劳伦斯伯克利、橡树岭和洛斯阿拉莫斯国家实验室。

菲格罗亚表示："量子计算浪潮正在向量子网络发展，因为，除非你把量子计算机连接到这个量子互联网中，否则它们的应用将受到限制。所以，现在是做这类实验的好时机。"

‘贰’ 全球量子网络雏形国际空间站将演示量子通信技术

2022年，国际空间站将开展一项名为“空间纠缠退火量子实验”(SEAQUE)的小型实验，在太空环境中测试量子通信技术和探测器修复技术，这可能为未来的全球量子网络建设奠定基础。

在特定问题上量子计算机的运行速度有望比传统计算机快上数百万倍，分布式量子传感器可以通过测量重力的微小变化，让人们对地球和宇宙产生新的认识。但量子计算机和量子传感器的通信都离不开专用的量子通信网络。未来量子通信网络的一个重要组成部分是太空节点，能够利用自由空间光通信(Free Space Optical Communications)，以光波为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术，将接收和传输量子数据到地面。

SEAQUE实验主要用于证明两项技术的可行性。第一项技术是能够让量子通信网络节点将相隔很远的量子发射器和接收器，安全地连接在一起的量子通信技术。要做到这一点，量子通信网络的节点就必须产生并检测成对的纠缠光子，这些光子最终能被传输到地面上的量子计算机，为量子云计算提供基础。量子云计算是一种无论计算机在何地，都能够通过云端交换和处理量子数据的方法。

该实验需要测试的另一项技术是通过激光定期修复太空辐射对节点探测器引起的损伤。量子通信网络的太空节点将需要高灵敏度的探测器，以接收来自地球表面的单光子量子信号。当来自太空的高能粒子或辐射撞击位于这些节点的探测器时，会使探测器的信息输出中产生噪声，并最终“淹没”地面上的所有量子信号。

此外，长时间的太空辐射会使探测器严重退化，需要定期及时更换，从而影响到全球量子通信网络的通信质量。因此，如何使太空节点的探测器能从辐射损伤中“自愈”，维护好太空的精密仪器来延长节点寿命，是全球量子通信网络将面临的一大挑战。

“展示这两项技术为未来的全球量子网络奠定了基础，这种网络可以将相距数百英里甚至数千英里的量子计算机连接起来。”NASA喷气推进实验室(JPL)的SEAQUE实验联合研究员Makan Mohageg说道。

SEAQUE实验是一个全球性的实验项目，由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)科学家带领实验，项目合作伙伴包括：美国NASA喷气推进实验室(JPL)、美国太空服务公司Nanoracks、加拿大滑铁卢大学和新加坡国立大学等。

‘叁’ 中国的量子技术的发展

我国量子通信方面的理论研究起步虽然相对滞后，但在实验上几乎是与国外同行同步进行:早在1995年，中国科学物理所首次以BB84协议方案在国内完成了演示实验。2000年中科院物理研究所和中科院研究生院合作完成了国内第一个850纳米波长全光纤1.1KM量子保密通信实验。2003年，中国科学技术大学中科院量子通信重点实验室成功地在校园内铺设了总长为3.2KM的量子通信系统。2005年，中国科学技术大学郭光灿院士领导的科研小组通过现有光缆线路在北京和天津之间实现在125KM量子通信原理性实验。2006年，中国科学技术大学潘建伟教授领导的科研小姐，利用纠缠光子对实现了不受外界干扰的量子密码传输2008年10月，潘建伟小组构建了基于商用光纤和诱变态相位编码的3节点量子通信网络，节点间距离20KM，实现了实时网络通话和3方对讲功能。这一成果的发布早于欧洲科学家发布的量子通信网络系统，使得潘建伟小组成为国际上报道的两个严格安全的实用化量子通信网络实验研究小组之一。2016年，在我国大漠深处的酒泉卫星发射中心，中国首颗量子通讯卫星“墨子号”成功升空，其在天地之间的数据传输，实现了人类历史上首次量子通信，为今后构建量子通信网络先行试验。2017年，全线贯通运行的京沪干线实现了与“墨子号”卫星的连接。这条不同凡响的高铁干线采用了量子密钥和量子网络等众多技术，是全球第一条采用量子通信的铁路。事实上，中国的量子通信技术已经达到世界顶尖水平，领先欧美国家不止一个身位。世界上首个光量子计算机在我国面世，其计算能力远远超出天河系列超级计算机。不仅如此，而且国内企业也正与研究机构在加强合作，共同推进量子产业化的进程。

‘肆’ 量子网络的突破

美国的科学家
美国的科学家已经利用一束强激光轰击一团铷原子，生成了具备这团铷原子量子态的单个光子，然后把这个光子传送到100米长的光缆，输送到另一团铷原子中，生成了与原来的铷原子同样量子态的另一团铷原子，光子携带的量子态信息没有丝毫损失，从而实现了原子与光子的量子态传输。
夸祖鲁－纳塔尔大学
南非夸祖鲁－纳塔尔大学量子技术中心的研究人员，在量子密码领域的光子加密技术应用研究方面取得重大进展，他们成功地将基于光子加密技术的计算机安全系统应用到南非德班市的一个小型网络中。
彼得鲁乔内
负责此项研究的量子物理学家弗兰塞斯科·彼得鲁乔内介绍说，利用光子对数据进行加密，是一种绝对安全的信息传递方法。该方法背离现有的数学运算法则，与传统的信息传递方法大相径庭。它利用的是一种量子力学现象——量子纠缠，又称量子缠结，要想破译它的密码是非常困难的。而且，使用该技术的网络安全系统非常敏感，如果有人对两个正在通讯联络的人进行窃听或刺探干扰，通讯双方可以立即察觉到。
彼得鲁乔内认为，理论必须应用到现实中。“智能城市”计划已经让众多的学生受益，因为它可以让学生有机会在现实环境中检验实验室中创造的技术。但要吸引更多的学生来研究量子物理，就必须有更多的发明，使量子技术能创造更多的就业机会。
德班市
作为该项目的资助方之一，德班市目前已将该技术应用到一个小型网络中，该网络由两个诊所、一个市政中心和一个消防站组成。这使德班成为南非第一个拥有量子网络的城市，同时这也是德班市建设“智能城市”计划的一部分。该市的管理者相信，量子信息和通讯技术不仅会促使市政当局转型为一个由高技术信息驱动的组织机构，而且会让德班成为未来技术的“孵化器”。

‘伍’ Science：迈向量子互联网

一个利用量子纠缠在远方用户之间建立密切联系的量子网络正在形成。

撰文 | Gabriel Popkin

译者 | 潘佳栋

审校 | 刘培源、晏丽

当一束优雅的蓝色激光进入一个特殊的晶体中时，在晶体里其变成红色，这表明每个光子都分裂成一对能量较低的光子，并且产生了一种神秘的联系。这些粒子“纠缠”在一起，就像同卵双胞胎一样相互联系。尽管住在遥远的城市，它们却知道彼此的想法。光子穿过一团乱麻，然后轻轻地将它们编码的信息存入等待的原子云 （clouds of atoms） 中。

“这种变换有一点像魔法”，石溪大学的物理学家伊登·菲格罗亚 （Eden Figueroa） 欣喜若狂。他和同事们在几个实验室长凳上炮制了这个装置，上面堆满了镜头和镜子。但是他们心中有一个更大的想法。

图1：伊登·菲格罗亚 (Eden Figueroa) 正试图将微妙的量子信息从实验室引入互联世界

到年底，美国最大的都会区，包括纽约市郊区的司机可能会在不知不觉中为一个新的、可能具有革命性意义的网络的薄弱环节而努力：一个通过像菲格罗亚实验室那样的纠缠光子联系在一起的“量子互联网” 。

数十亿美元已经被投入到量子计算机和传感器的研究中，但许多专家表示，这些设备只有在远距离相互连接时才会迅速发展。就像网络将个人计算机从美化的打字机和 游戏 机转变为不可或缺的电信设备一样，这一愿景和网络的这一方式相似。

纠缠是一种奇怪的量子力学性质，尽管它曾被阿尔伯特·爱因斯坦嘲笑为“幽灵般的超距作用”，但是研究人员仍希望能够在远距离建立紧密的、瞬时的联系。量子互联网可以将望远镜连接成超高分辨率的阵列、精确地同步时钟、为金融和选举建立安全的通信网络、并使得从任何地方进行量子计算成为可能。它还可能催生出没有人想象过的应用程序。

然而，将这些脆弱的联系放入温暖、嗡嗡作响的世界并非易事。如今存在的大多数传输链只能将纠缠的光子发送到相距仅几十公里的接收器。同时，量子连接是短暂的，它会随着光子的接收和测量而被破坏。研究人员希望可以无限期地维持纠缠，利用光子流在全球范围内编织持久的量子连接。

为此，他们将需要光中继器在量子通信网络中的等价物。光中继器是当今电信网络的组件，可在数千公里的光纤中保持强光信号。几个团队已经展示了量子中继器的关键组成部分，并表示他们在构建扩展网络的道路上进展顺利。“我们已经解决了所有的科学问题，”哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金 （Mikhail Lukin） 说，“我非常乐观地认为，在5到10年内……我们将拥有大陆级别的量子网络原型。”

1969年10月29日晚 （即Woodstock音乐节刚结束2个月，越战正在爆发） ，加利福尼亚大学洛杉矶分校的学生查理·克莱恩 （Charley Kline） 向位于加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福研究所中500多公里外的计算机发送了一条消息。这标志着美国高等研究计划署网络 （the Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET） 开始建立。从那个不稳定的双节点开始——克莱恩的预期信息是“login”，但在系统崩溃之前只有“lo”通过——互联网已经扩展到今天的全球网络。大约 20 年前，物理学家开始猜测相同的基础设施是否可以穿梭于更奇特的东西：量子信息。

1994年是一个激动人心的时刻。一位名叫彼得·肖尔 （Peter Shor） 的数学家设计了一种量子代码，可以破解当时领先的加密算法，这是经典计算机无法做到的。肖尔的算法表明，量子计算机具有使非常小的或冷的物体同时以多种“叠加”状态存在的能力，这可能具有爆炸级的应用——破解密码。他们花费了长达数十年的努力来构建量子计算机。一些研究人员想知道量子互联网是否会极大地增强这些机器的能力。

但是建造一台量子计算机已经足够令人却步了。就像纠缠一样，对纠缠至关重要的叠加状态是脆弱的，在被外界测量或以其他方式干扰时会崩溃。由于该领域专注于通用量子计算机，将这些计算机连接起来的想法大多被规划到遥远的未来。菲格罗亚打趣说，量子互联网变得“就像量子计算机的时髦版本”。

第一个能够传输单个纠缠光子的量子网络已经初具规模。2017年中国的一份报告是最引人注目的：一颗名为“墨子号”的量子卫星将纠缠粒子对发送到相距 1200 公里的地面站 （ Science , 16 June 2017, p. 1110） 。这一成就在华盛顿特区引发了担忧，最终导致了 2018 年《国家量子倡议》法案 （ National Quantum Initiative Act ） 的通过，该法案由当时的总统唐纳德·特朗普 （Donald Trump） 签署成为法律，旨在推动美国的量子技术的进步。美国能源部 （The Department of Energy，DOE） 在 4 月份提出了进一步推进美国量子互联网发展的设想，宣布斥资2500万美元用于量子互联网的研发，以连接国家实验室和大学。“让我们将我们的科学设施连接起来，证明量子网络是有效的，并为该国其他地区提供一个框架，让其继续并扩大规模。”最近才开始领导美国能源部科学办公室的克里斯·法尔 （Chris Fall） 说。

由中国科学技术大学物理学家潘建伟领导的中国小组继续发展其量子网络。根据1月份 Nature 的一篇论文，纠缠粒子现在可以跨越 4600 多公里，使用光纤和非量子中继。其他国家也已经证明了更短距离的量子连接。

量子通信行业和政府开始通过一种称为量子密钥分发 （Quantum Key Distribution，QKD） 的方法，将最初的链接用于安全通信。QKD使双方能够通过对纠缠光子对进行同时测量来共享密钥。量子连接可以防止密钥被篡改或窃听，因为任何干预测量都会破坏纠缠，用密钥加密的信息可以通过普通渠道传递。QKD 被用于确保瑞士选举的安全，并且银行已经对其进行了测试。但许多专家质疑其重要性，因为更简单的加密技术也不受已知攻击的影响，包括Shor算法。此外，QKD不能保证发送和接收节点的安全，这些节点仍然容易受到攻击。

成熟的量子网络的目标更高。“它不仅会传输纠缠粒子”，美国国家标准与技术研究所的物理学家尼尔·齐默曼 （Neil Zimmerman） 说，“它将纠缠作为一种资源进行分配”，使设备能够长时间纠缠，从而共享和利用量子信息。 （ Science , 19 October 2018, 10.1126/science.aam9288）

在量子网络的发展中，科学可能是首先受益的。量子网络的一种可能的用途是超长基线干涉测量。该方法将全球的射电望远镜连接起来，有效地创造了一个强大的单一、巨大的天线，足以对遥远星系中心的黑洞进行成像。将远距离的光学望远镜收集到的光组合起来更具挑战性。但是物理学家提出了一些方案，可以在量子存储器中捕获望远镜收集的光，并使用纠缠光子提取和合并其相位信息，这是超高分辨率的关键。分布式纠缠量子传感器还可以为暗物质和引力波带来更灵敏的探测器网络。

量子网络更实际的应用包括超安全选举和防黑客通信，这使得信息本身，而不仅仅是用于解码它的密钥，能够像在QKD中密钥一样在纠缠节点之间共享。纠缠也可以同步原子钟，并防止在它们之间积累信息的延迟和错误。除此之外，量子网络还可以提供一种连接量子计算机的方法，增强量子计算机的能力。在未来一定的时间里，每个量子计算机可能会被限制在几百个量子比特，但如果纠缠在一起，它们可能能够处理更复杂的计算。

进一步考虑这个想法，一些人还设想了一种云计算的模拟，即所谓的盲量子计算 （Blind quantum computing） 。人们的想法是，有朝一日，最强大的量子计算机将位于国家实验室、大学和公司，就像今天的超级计算机一样。药物和材料设计师或股票交易员可能希望在不泄露程序内容的情况下从远处运行量子算法。理论上，用户可以在与远程量子计算机纠缠在一起的本地设备上对问题进行编码——利用远程计算机的能力，但同时不泄漏该问题的信息。

“作为一名物理学家，我认为盲量子计算非常漂亮。”因斯布鲁克大学的特蕾西·诺瑟普 （Tracy Northup） 说。

研究人员对完全纠缠网络 （fully entangled networks） 进行了早期研究。2015 年，魏纳 （Wehner） 及其同事将光子与氮原子中的电子自旋纠缠在一起，它们被包裹在代尔夫特理工大学校园内相距1.3公里的两颗小钻石中。然后光子被发送到一个中间站，在那里它们相互作用以纠缠钻石节点。该实验创造了“调制”纠缠的距离记录，这意味着研究人员可以确认并使用它，并且这种联系持续了长达几微秒。

然而，更广泛的网络可能需要量子中继器来复制、校正、放大和重新广播几乎每个信号。尽管中继器是经典互联网中相对简单的技术，但量子中继器必须避开“不可克隆”定理——即从本质上讲，量子态不能被复制。

图2：量子网络将由纠缠的光子编织在一起，这意味着它们共享一个量子态。但是这需要量子中继器在遥远的用户之间中继脆弱的光子。

一种流行的量子中继器设计从两个相同的、不同来源的纠缠光子对开始，每对中的一个光子飞向遥远的端点，这些端点可能是量子计算机、传感器或其他中继器。让我们称它们为Alice和Bob，因为量子物理学家习惯这样做。

每对光子的另一半向内拉，朝向中继器的中心。该设备必须捕获先到达的光子，将其信息导入量子存储器 （可能是钻石或原子云） ，纠正在传输过程中积累的错误，并对其进行处理，直到另一个光子到达。然后中继器需要以纠缠遥远的光子双胞胎的方式将两者联系起来。这个过程被称为纠缠交换 （entanglement swapping） ，在遥远的端点Alice和Bob之间创建了一个链接。其他的中继器可以将Alice连接到Carol，将Bob连接到Dave，最终跨越很远的距离。

菲格罗亚将他建造这种设备的动力追溯到他2008年在卡尔加里大学的博士学位论文答辩。这位出生于墨西哥的年轻物理学家描述了他如何将原子与光纠缠在一起之后，一位理论学家问他要如何处理这个装置。“当时我真丢脸，我没有答案。对我来说，这是一个我可以玩的玩具。”菲格罗亚回忆道。“他告诉我：‘量子中继器就是你要做的。’”

受到启发，菲格罗亚在来到石溪之前就在马克思·普朗克量子光学研究所研究了该系统。他很早就确认商用的量子中继器应该在室温下运行——这与大多数量子实验室的实验不同，后者在非常冷的温度下进行，以最大限度地减少可能扰乱脆弱量子态的热振动。

菲格罗亚希望将铷蒸气作为中继器的一个组件，即量子存储器。铷原子是锂和钠的同族元素，对科学家很有吸引力，因为它们的内部量子态可以通过光来设置和控制。在菲格罗亚的实验室中，来自分频晶体的纠缠光子进入每个包含 1 万亿个左右铷原子的塑料细胞 （cells） 。在那里，每个光子的信息被编码为原子之间的叠加，在那里它持续几分之一毫秒——这对于量子实验来说非常好。

菲格罗亚仍在开发第二阶段的中继器：使用计算机控制的激光脉冲来纠正错误并维持云的量子态。然后，额外的激光脉冲会将携带纠缠的光子从存储器发送到测量设备，以与最终用户发生纠缠。

卢金使用不同的介质构建量子中继器：包裹在钻石中的硅原子。传入的光子可以调整硅电子的量子自旋，从而产生潜在的稳定记忆。论文中，他的团队报告捕获和存储量子态的时间超过五分之一秒，远远长于铷存储器。2020年一篇发表在 Nature 上的文章中指出，尽管必须将钻石冷却到绝对零上几分之一度的范围内，但卢金表示制冷器正在变得紧凑和高效， “现在这是我最不担心的。”

在代尔夫特理工大学，魏纳和她的同事也在推动钻石方法，但使用氮原子而不是硅。上个月在 Science 杂志上，该团队报道了在实验室中纠缠三颗钻石，创建了一个微型量子网络。首先，研究人员使用光子纠缠了两种不同的钻石：Alice和Bob。在Bob中，纠缠从氮转移到碳核中的自旋：一种长寿命的量子存储器。然后在Bob的氮原子和第三颗钻石Charlie之间重复纠缠过程。研究人员对 Bob的氮原子和碳核进行联合测量然后将纠缠转移到第三颗钻石，即Alice到Charlie。

实验负责人、代尔夫特理工大学物理学家罗纳德·汉森 （Ronald Hanson） 说，尽管该实验距离比现实世界的量子网络需要的距离短得多、效率也低得多，但可控的纠缠交换证明了量子中继器的工作原理，这是“从未被做过的事情”。

潘建伟的团队还展示了一个部分中继器，其中原子云作为量子存储器。但在2019年发表在 Nature Photonics 上的一项研究中，他的团队展示了一个完全不同的早期原型：通过平行光纤发送大量的纠缠光子，至少有一个可能在旅途中幸存下来。潘建伟说，虽然这可能避免对中继器的需求，但该网络需要能够纠缠至少数百个光子，而他目前的记录是12个光子。使用卫星产生纠缠是潘建伟正在开发的另一项技术，也可以减少对中继器的需求，因为光子在太空中的存在时间比通过光纤长得多。

大多数专家都认为，真正的量子中继器还需要数年时间，最终可能会使用当今量子计算机中常见的技术，例如超导体或俘获离子，而不是钻石或原子云。这样的设备需要捕获几乎所有击中它的光子，并且可能需要至少几百个量子比特的量子计算机来校正和处理信号。从某种意义上说，更好的量子计算机可以推动量子互联网的发展——这反过来又可以增强量子计算。

在物理学家努力打造完美中继器的同时，他们正在将单个大都市区内的站点连接起来，因为它们不需要中继器。在2月发布到 arXiv 的一项研究中，菲格罗亚将他的实验室中两个原子云存储器中的光子通过79公里的商业光纤发送到布鲁克海文国家实验室，在那里光子被合并——代尔夫特理工大学的小组朝着这种端到端类型的纠缠迈出了一步。到明年，他计划在他的大学和他的创业公司Qunnect的纽约办公室之间部署两个量子存储器，并把它们压缩到一个微型冰箱的大小，看看它们是否能提高光子在旅途中幸存下来的几率。

波士顿、洛杉矶和华盛顿特区也正在建设量子网络，两个网络将把伊利诺伊州的阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室与芝加哥地区的几所大学连接起来。代尔夫特理工大学的研究人员希望很快将他们创纪录的长期纠缠扩展到荷兰海牙的商业电信设施，而其他新兴网络正在欧洲和亚洲不断发展。

这些量子网络最终目标是使用中继器将这些小型网络连接到洲际互联网。但首先，研究人员面临着更简单的挑战，包括建造更好的光子源和探测器、最大限度地减少光纤连接处的损耗，以及在特定量子系统 （例如原子云或钻石） 的固有频率和电信光纤传导的红外波长之间有效地转换光子。“那些现实世界的问题，”齐默曼说，“实际上可能比光纤衰减的问题更大。”

图3：微小钻石中的杂质原子（如该芯片的核心）可以存储和传递量子信息。

有些人怀疑这项技术是否是在炒作。“纠缠是一种非常奇怪、非常特殊的性质”，陆军研究实验室的物理学家库尔特·雅各布斯说， “它不一定适用于所有类型的应用程序。” 例如，对于时钟同步，与经典方法相比量子网络的优势仅体现在纠缠设备数量的平方根上，量子网络需要连接9个设备才能获得经典网络3倍的收益。三倍增益需要连接九个时钟——可能会遇到高于它的价值的问题。“拥有功能性量子网络总是比经典网络更难。”雅各布斯说。

对于这种怀疑，芝加哥大学的物理学家大卫·奥沙洛姆 （David Awschalom） 反驳说，“我们正处于量子技术的晶体管阶段。” 晶体管于1947年被发明出来，几年之后，公司才发现它在收音机、助听器和其他设备中的用途。如今，每一台新电脑、智能手机和 汽车 的芯片中，都蚀刻了数以亿计的晶体管.

未来几代人可能会像我们怀念阿帕网 （ARPANET） 一样回望此刻——作为互联网的纯婴儿版本，阿帕网的巨大潜力当时没有得到认可和商业化。“你可以肯定，我们还没有想到这项技术将做的一些最重要的事情”，奥沙洛姆说：“如果你相信已经做了最重要的事情，那说明你太傲慢了。”

本文经授权转载自微信公众号“集智俱乐部”。

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