量子网络哪个国家做的最好

‘壹’ 荷兰 QuTech 研究人员创建了世界上第一个多节点量子网络

荷兰 QuTech 研究中心的研究人员创建了世界上第一个多节点量子网络 ，于4月16日在《科学》杂志上发表了他们的成果，使人类距离量子互联网更近了一步。

在量子计算机网络中进行计算的两个以上的量子比特被链接在一起成为节点，该系统由三个量子节点组成。量子网络能够运行现有传统设备无法执行的大量计算应用程序，例如更快地计算、改进加密技术、创建无法入侵的网络等。

传统计算机中的“位”是数字信息的基本单位， 而量子位则是量子信息的基本单位，可以是1或0，表示两个状态、系统中的两个可能位置。

得益于量子世界的奇异定律，量子位可以以1和0的叠加形式存在， 直到被测量的那一刻，量子位将随机塌陷为1或0。 它允许一个量子位同时执行多个计算，是量子计算强大能力的关键。

将量子位链接到一个量子网络中，最大的挑战是建立和维持一个称为“纠缠”的过程。 当两个量子位耦合的时候、它们的性质相互关联，即使彼此相隔很远，一个粒子的任何变化也会引起另一个粒子同样的变化。 这使得科学家可以通过改变纠缠伙伴的状态、从而有效地传送信息。

可以通过多种方式纠缠量子节点，一种常用的方法是先将静止的量子比特与光粒子纠缠在一起，然后相互发射光子。当它们相遇时，两个光子发生纠缠，从而纠缠了量子位。但是，保持纠缠状态是一项艰巨的任务，因为纠缠的系统会有干扰外界的风险，并且会被称为“不相干性”的现象所破坏。

这意味着必须将量子节点保持在极低温度下，在称为低温恒温器的设备内，最大程度地降低量子位干扰外界的可能性。其次，纠缠中使用的光子在被吸收或散射之前无法传播很长的距离，从而破坏了在两个节点之间发送的信号。

根据物理学中的“非克隆定理”，复制量子比特是不可能的，因为复制的前提是测量，而测量一般会改变该量子的状态。 这限制了可以发送量子信号的距离，如果想建立量子通信，则需要建立中继节点。

为了解决该问题，该团队创建了一个具有三个节点的网络，其中光子实质上将纠缠从外部节点之一的量子位“传递”到中间节点的一个量子位。中间节点有两个量子位-一个用于获取纠缠状态，另一个用于存储纠缠状态。一旦存储了一个外部节点与中间节点之间的纠缠，则中间节点将其备用量子位与另一个外部节点纠缠在一起。完成所有这些操作后，中间节点将其两个量子位纠缠在一起，从而导致外部节点的量子位被纠缠。

为了使纠缠的光子以正确的方式发射到节点上，研究人员不得不使用复杂的反射镜和激光系统，每个节点使用了三到四个激光器，真正困难的部分是确保所有激光器都完全同步。

研究人员的下一步工作将是尝试进行信息传递，同时改善网络计算能力的基本组成部分，以便可以像常规计算机网络一样工作。目前，所有节点之间的距离都在10至20米之间，将要测试在10公里的距离上建立纠缠。

‘贰’ 量子通信这么厉害，美国为什么不发量子通信卫星

导语：量子通信这么厉害，美国为啥不发量子通信卫星？

关于“量子通信这么厉害，美国为啥不发量子通信卫星？”这个问题，小编整理了多个来源的用户回答，供大家更全面的了解。

1、以下观点被1352人点赞、并有359个交流讨论：

量子通信卫星就是通过卫星，连接地面光纤量子通信网络，形成天地一体化的量子通信网络。它具有保密性超强(目前理论上不能破解)、量子传态等特点，是世界通信发展的方向。中国科学家在美国《科学》杂志上报告说，中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠，这意味着量子通信向实用迈出一大步。当中国抢先建立了这一个全球网络后，以后谁想共享使用，不仅要经过中国同意，更要接受中国的标准，实际就是第二个互联网技术，只不过它将由中国掌握。美国国家科技委员会提出的报告《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》，建议加大对量子信息科学的投入。实际上，美国多个政府部门如国防部、航天局、国家标准与技术研究所（NIST）等早就对量子信息技术研究大量投入。在过去10余年间，NIST在量子调控和量子信息领域产生了5名诺贝尔物理学奖获得者。但是西方各个国家包括美国，俄罗斯都还处于理论研究和早期实验室研究阶段还没有发射量子通信卫星。美国不是不发量子卫星，而是美国现在量子通信领域已经落后中国，而是目前还发不了的问题。中国已经走在世界前列，现在是美国，西方，俄罗斯正在追赶和超过中国的问题。历史已经颠倒过来了。

2、以下观点被191人点赞、并有77个交流讨论：

缺点是目前只有光子才能实用，因此传统电磁波传输方式失效了，光缆通信是最适合的，只要在两段发射接受装置改为量子发射接收机即可，中继也一样，不过中继量子增强还是有点技术难度的。还有，要想确保保密，密码要一码一用，密码要足够长（与传统通信一样），这样使得量子通信的效率（速率）很低，只能发送文件，不能视频对话。量子保密通信仅仅采用了军事编码方式，使得密码难以破解，牺牲了传输效率，又需要两条通道分别传输密码和信息。那次与奥地利的视频对话是牺牲了量子保密密码长度，只是利用了墨子号卫星的通讯中继进行常规通信，而不能称为真正意义的量子通信。也可以这么认为，因为目前世界上量子通信技术就只达到这个高度，而我国由于国家经费支持，做到世界上量子通信长度最长（京沪干线有千公里级），实现了星地传输（自由空间传输），实事求是讲是世界领先的。就目前的技术水平，量子通信其实没有现实意义，传输速度慢，不是全天候工作，也不能做到完全无法破解（不是量子纠缠方式），除非有更先进技术，量子通信注定是个摆设。

3、以下观点被116人点赞、并有11个交流讨论：

量子通讯是否厉害姑且不论，但必须颠覆两个思维习惯。好东西都是美国搞出来的，其它国家只能跟在后面爬行追赶。美国不感兴趣的东西都用处不大，谁要搞是冤枉烧钱，得不偿失。美国长期引领着世界科技革命，至今在科技众多领域仍遥遥领先，这无可置疑。但在世界科技革命方兴未艾的今天，美国不再万能！例如高铁科技，就从来不是美国的强项；航母电磁弹射飞机、第五代隐身战机等，也不再是美国独家专利；在特变高压输电的技术原创上，美国只有给中国当学生的辈份。量子科学的应用研究，中国走在了最前沿，中国发射量子通讯实验卫星，并成功完成了预先设置的科研项目，在量子通讯密钥分发、光子远距离纠缠等，取得的成果是世界领先的。美国没发射量子通讯卫星，不是没兴趣，而是能力还不具备（对美国科技说“不”，不适应吧？没关系，请以后逐渐适应）。在量子通讯科技研究领域，美国在中国面前，不是“守”，而是“追”。

4、以下观点被104人点赞、并有325个交流讨论：

我们抛开是不是量子通信不谈，抛开密钥分发能不能成功不谈。过去通信也是要加密的，有的加密是利用算法进行的，也就是没有密码。没有密码既然能解密，你发了密钥，相当于我不知道密码，我就不能解密了？傻子才信！密钥分发用的是微弱的偏振光，对方都未必能不受干扰地接收到，如果被截获，对方当然接收不到了，可是敌方会傻到截获你的密钥吗？除非敌方是为了破坏你通信而不是为了破获你通信内容，那样它可以用强光不断干扰你的密钥分发链路，你就永远发不出密钥了。醒醒吧，我的国！我爱这个国家，我爱这片生我养我的土地，我为我的祖国母亲担忧啊！知我者谓我心忧，不知者谓我何求。

5、精彩回答：

美国在传统电磁领域的霸主地位奠定了美国科技发展的领头羊地位，这也上其它国家尤其是不对付的国家如鲠在喉！海湾战争和科索沃战争让全世界为之颤抖，所以开发一种或多种能够绕开美国传统电磁霸权的通讯技术就显得迫在眉睫。量子通讯的保密效果非常好，这就让美国引以为傲的监听措施成了摆设！弄不清楚敌方的具体情报，美国军队就不敢贸然行动！量子通讯把美国从高高在上的一览众山小一下子拉下马，甚至不能和新兴科技大国平起平坐而落后！这就让美国感到愤怒了，怎么能这样？这样不科学啊！以后装备中国量子通讯技术的军事设施基本上可以确保不会被监听，这就能让美国军队在动手前三思再三思！这么好的效果美国为啥没有呢？那是因为该技术就是为了对付美国而发展的，等美国知道了都已经晚了！因为技术先驱们已经量产了量子通讯设备，一旦打起来失去电磁优势的美军就危险了！以前那种战场上来去自如的情况只能偶尔在三流国家可以实现

‘叁’ 量子科技是多国战略布局重点领域，对比来看，为何这个比较重要

至于中国公牛在这方面，据传中国已经掌握了世界上最好的光学晶体制造技术。在量子实验中，单光子和柔性光子的制备是通过激光照射特殊晶体来实现的，找到合适的晶体会增加光子成功制备的可能性，而中国现在有一种技术是世界上最好的光学晶体。尽管中国的量子通信卫星实验似乎已经成功，但平均技术难度非常大。

很多国家都有令人担忧的粒子制造装置，要把这种装置直接带上天空是没有什么的，实验可以做什么。量子卫星“墨丘罗”号成功完成了所有实验任务，因为前几天中国在卫星上经历了大量论证，掌握了一系列技术难题。很多朋友认为中国人实施的技术非常普通，其实这并不奇怪，正如当年达戈尔得知的答案一样，中国制造氢弹并将其微型化！因为在氢弹的道路上，法国遇到了如此多的失败，以致一再、三次都没有成功！但事实证明，氢弹并不是那么有趣，中国人制造它并不是因为它可以在全世界制造，而是因为我们有足够的技术，给全世界带来希望！

‘肆’ 世量子计算方面，最强的是中国还是美国

目前，在量子科学领域，中国和美国正在争夺霸权，总体上，中国和美国领先于世界其他国家。中美在量子科学领域谁强谁弱？韩国KBS电视台10月24日做了相应报道，认为中国在量子通信领域排名世界第一，领先于美国，但就整体量子计算而言，美国优于中国。

其他国家整体落后于中国和美国，各地区各有所长。欧洲在量子计算方面的科研成果很多，而日本、韩国、新加坡等国家则以量子通信为主，但只涉足量子计算的研发。

‘伍’ 量子技术有多厉害现在都掌握在哪些国家手中

随着科技的发展，人类对于宇宙的探索也愈加了解。从古代的天圆地方到现在的宇宙大爆炸。从以前的万有引力到现在的引力波宇宙，展现出越来越多的神奇之处给我们。同时在太空探索中，人类的科技也在不断的进步，最开始的时候我们只能通过简单的信号传输来进行信息交流。但是现在当人类发现量子力学之后，发现在世界上还有更高效的传输和运算法则。而在这一方面，我们目前已经超越了其他国家，成为世界上目前技术较为成熟的国家。

最为重要的是量子信息特别的稳定，不容易受到其他干扰器的影响。它主要是利用更微小的光子进行成像传输信号，所以这就意味着如果信号可以传输的话，他完全不会受到对方雷达的影响，可以做到真正的全天候全方位全条件作战。也正是因为这样，各国才一直呼吁想让我们公布量子力学方面的研究。目前掌握量子力学国家并不多，我们已经走在了前端。

‘陆’ 研究人员在现实环境中达到了量子网络的里程碑

在Alice实验室的量子设备中，光子源和团队网络的第一个节点被储存在那里。资料来源:卡洛斯·琼斯/ORNL，美国能源部

来自美国能源部橡树岭国家实验室、斯坦福大学和普渡大学的一个团队开发并展示了一种新颖的、全功能量子局域网络(QLAN)，利用通过光纤的纠缠光子，实现实时调整，以便与ORNL地理隔离系统共享信息。

这个网络展示了专家们如何在实际规模上常规地将量子计算机和传感器连接起来，从而在通往备受期待的量子互联网的道路上实现这些下一代技术的全部潜力。该团队的研究成果发表在《PRX量子》杂志上，标志着多年相关研究的顶峰。

连接经典计算设备的局域网并不是什么新鲜事，qlan已经在桌面研究中成功测试过了。到目前为止，量子密钥分发是量子通信领域最常见的例子，但这个过程是有限的，因为它只建立了站点之间的安全，而不是纠缠。

“我们正试图为构建量子互联网打下基础，通过理解关键功能，比如纠缠分布带宽，”俄勒冈州国家实验室的量子信息科学部门负责人尼古拉斯·彼得斯(Nicholas Peters)说。“我们的目标是开发基本工具和构建模块，展示量子网络应用，这样它们就可以部署在真实的网络中，实现量子优势。”

当两个光子粒子配对或纠缠在一起时，无论它们之间的物理距离如何，它们都显示出比任何经典方法都更强的量子相关性。这些相互作用使只有使用量子资源才能实现的违反直觉的量子通信协议成为可能。

其中一种协议，远程状态制备，通过测量纠缠光子对的一半并有效地将另一半转换为首选量子态，利用纠缠和经典通信对信息进行编码。彼得斯在2005年获得物理学博士学位时，领导了第一个远程状态准备的一般实验实现。该团队在qlan的所有配对链路上应用了这项技术——这是以前在网络上没有完成的壮举——并展示了基于纠缠的量子通信的可扩展性。

这种方法使得研究小组能够将三个远程节点连接在一起，这三个节点被称为“爱丽丝”、“鲍勃”和“查理”——这些名字通常用于描述可以通过量子传输进行通信的虚构人物——它们位于橡树岭国家实验室的三个不同的研究实验室，分别位于三幢独立的大楼里。从包含Alice和光子源的实验室，光子通过ORNL现有的光纤基础设施将纠缠分布到Bob和Charlie。

量子网络与放大器和其他经典信号增强资源是不相容的，它们会干扰纠缠光子共享的量子关联。考虑到这个潜在的缺点，该团队结合了灵活的网格带宽配置，使用波长选择开关来分配和重新分配量子资源给网络用户，而不断开QLAN。这种技术提供了一种内置的容错性，通过这种容错性，网络运营商可以通过将流量重新路由到其他区域，而不影响网络的速度或安全协议，从而对意料之外的事件(如光纤中断)作出响应。

”,因为网络的需求可能随时间变化或不同的配置,你不想有一个系统与固定波长通道总是分配特定的用户相同的部分,”Joseph luken说ORNL魏格纳研究员、研究员以及团队的电气工程专家。“相反，你希望根据用户的需求灵活地为网络上的用户提供或多或少的带宽。”

与典型的经典网络相比，量子网络需要每个节点的活动时间更紧密地同步。为了满足这一要求，研究人员依赖GPS，这是一种通用且经济的技术，利用卫星数据提供日常导航服务。利用位于Bob实验室的GPS天线，该团队与每个节点共享信号，以确保基于GPS的时钟在几纳秒内同步，并且在实验期间它们不会漂移。

在获得了光子探测器捕获的纠缠光子到达的精确时间戳后，该团队将这些测量数据从QLAN发送到一个经典网络，在那里他们从所有三个实验室收集了高质量的数据。

如果没有GPS信号，QLAN演示将产生较低质量的数据和较低的保真度，保真度是一种与量子网络性能有关的数学指标，用于测量量子态之间的距离。

该团队预计，对QLAN的小规模升级，包括增加更多节点和嵌套波长选择开关，将形成互连网络的量子版本——互联网的字面定义。

“互联网是一个由许多小网络组成的大网络，”俄勒冈州立大学博士后研究助理Muneer Alshowkan说，他为这个项目带来了宝贵的计算机科学专业知识。“量子互联网发展的下一个重要步骤是将QLAN连接到其他量子网络。”

此外，该团队的发现可以用于改进其他探测技术，比如那些用于寻找难以捉摸的暗物质证据的技术。暗物质是一种不可见的物质，被认为是宇宙的主要物质来源。

“想象一下，建立量子传感器网络，能够看到基本的高能物理效应，”彼得斯说。“通过开发这项技术，我们的目标是降低测量这些现象所需的灵敏度，以帮助正在进行的暗物质搜索和其他努力，以更好地了解宇宙。”

研究人员已经在计划他们的下一个实验，该实验将专注于实现更先进的同步计时方法，以减少事故的数量——网络中的噪声源——并进一步提高QLAN的服务质量。

‘柒’ 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”。

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‘捌’ 世界各国中，现在哪国对量子力学的研究走到了最前列

在现在我们这一个全球局势较为动荡的一个年代当中，各国把科学技术一直当做社会生产的第一发展力，其中包括我们中国也是如此，因为有了科学技术，我们可以研发更多的产品，利用这些产品赚取更多的利润，从而帮助我们中国能够实现更繁荣的一个社会。那么关于在现在的一个世界各国当中，哪个国家对于量子力学的研究只有在最前列？

三、就是关于中国的一个前景。

最后就是关于我们中国的一个前期，虽然说现在我们中国对于量子力学的一个发展，不比以上两个国家，但是我们的一个力学发展能力也是在世界上位于前列。

‘玖’ 构建全球首个星地量子通信网的国家是哪个国家

中国。星地量子通信网是由中国潘建伟等学者构建的4600公里、从地面到太空的多用户量子通信网，根据查询相关资料显示：中国为全球首个构建的，其标志着中国已成功构建出天地一体化广域量子通信网络。

‘拾’ 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。"