一組物理學家預測，未來的“量子網際網路”在技術成熟之前就可能找到用武之地。
這種利用量子物理獨特效應的網路，與我們今天使用的經典網際網路有著根本的不同。世界各地的研究小組已經在進行其早期開發工作。早期階段有望實現幾乎牢不可破的通訊隱私和安全性；一個更成熟的網路可以包括一系列經典系統無法實現的科學及其他領域的應用，包括可以探測引力波的量子感測器。
量子差異
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研究人員認為，這項技術將是對現有網際網路的補充而非替代，最終可能會在大學實驗室等大型使用者和個人消費者中普及，儘管他們沒有給出時間表。
他們說，這與量子計算機形成對比——另一種物理學家正在熱衷研究的未來主義技術，旨在構建能夠超越經典計算機的機器。“在量子計算領域，它更像是要麼全有，要麼全無，” 理論物理學家斯蒂芬妮·韋納說，她與她在代爾夫特的同事大衛·埃爾庫斯和羅納德·漢森共同撰寫了這篇論文。
德國斯圖加特大學的量子物理學家斯特凡妮·巴茨表示同意。她和其他人說，很難預測哪項技術會先出現——廣泛採用的量子網際網路還是有用的量子計算機。但巴茨說，量子網路有一個很大的優勢，“這樣一個網路可以逐步構建，並且可以在每個步驟中新增不同的功能”。
該路線圖還旨在為該領域建立一種通用語言，該領域涉及來自不同背景的研究人員，包括資訊科技、計算機科學、工程和物理學。“人們談論量子網路時指的是截然不同的事物，” 漢森說，他是一位實驗物理學家，也是代爾夫特小組推動構建連線四個荷蘭城市的量子網際網路演示的負責人之一。
東京慶應大學的量子網路工程師羅德尼·範·米特表示，該論文有助於澄清該領域的目標。“它為我們理解我們正在開發的東西提供了一個新的詞彙表。” 他說，該檔案闡明的應用方式也有助於研究人員向潛在投資者解釋他們的提案。“有了這份路線圖，我們就可以進行對話了。”
六個階段
量子網路和量子計算共享許多概念和技術。兩者都利用了在經典物理學中沒有類似現象的現象：例如，電子或光子等量子粒子可以處於兩種明確定義的自旋狀態（順時針或逆時針）之一，但也處於兩者的同時組合中，稱為疊加態。而且兩個粒子可以“糾纏”，其中它們共享一個共同的量子態。這使得它們即使相隔遙遠的距離，也會以看似協調的方式（例如，以相反的方向旋轉）行動。
代爾夫特團隊為量子網際網路的演變制定了六個階段。
第一個階段——他們說這是一種第0階段，因為它沒有描述真正的量子網際網路——是一個使使用者能夠建立一個共同加密金鑰的網路，以便他們可以安全地共享他們的（經典）資料。量子物理只發生在幕後：服務提供商使用它來建立金鑰。但提供商也知道金鑰，這意味著使用者必須信任它。這種型別的網路已經存在，最引人注目的是在中國，它延伸了約2000公里，連線了包括北京和上海在內的主要城市。
在第1階段，使用者將開始參與量子游戲，其中傳送者建立量子態，通常用於光子。這些將被髮送到接收者，沿著光纖或透過橫跨開放空間的雷射脈衝傳送。在此階段，任何兩個使用者都將能夠建立只有他們知道的私有加密金鑰。
該技術還將使使用者能夠向 ATM 等機器提交量子密碼。機器將能夠在不知道密碼是什麼或無法竊取密碼的情況下驗證密碼。
第 1 階段尚未大規模嘗試，但韋納說，它已經在小城市範圍內技術上可行，儘管速度會非常慢。由潘建偉領導的中國合肥科技大學的一個小組在2017年創造了這種傳輸的世界紀錄，當時他們使用一顆衛星連線了相距 1200 多公里的兩個實驗室。
在第 2 階段，量子網際網路將利用強大的糾纏現象。它的首要目標是使量子加密基本上牢不可破。此階段所需的大部分技術已經存在，至少作為初步的實驗室演示。
第 3 到第 5 階段將首次使任何兩個使用者能夠儲存和交換量子位元，或量子位。這些是量子資訊的單位，類似於經典的 1 和 0，但它們可以同時處於 1 和 0 的疊加狀態。量子位也是量子計算的基礎。（許多實驗室——包括學術界和IBM 或 Google 等大型公司——一直在構建越來越複雜的量子計算機；最先進的量子計算機的記憶體可以容納幾十個量子位。）
要進入最後階段需要一些突破。漢森的團隊一直走在這些努力的前沿，並且是致力於構建第一個“量子中繼器”——一種可以幫助在越來越大的距離上糾纏量子位的裝置的團隊之一。
時鐘和選票
最高階段網路的早期採用者可能將是科學家自己。實驗室將可以遠端連線到第一批先進的量子計算機，或者將這些機器連線起來作為一臺計算機工作。
然後，他們可以使用這些系統來執行經典機器無法完成的實驗，例如，模擬分子或材料的量子物理學。量子時鐘網路可以顯著提高引力波等現象測量的精度，而遠距離光學望遠鏡可以連線它們的量子位以銳化影像。
但是，科學之外也可能存在應用。在選舉中，第5階段的量子網際網路可以讓選民不僅選擇一位候選人，還可以選擇候選人的“疊加”，其中可能包括他們第二喜歡的選項。馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森尼天體物理中心的物理學家妮可·揚格·哈爾彭說，“量子選民”可以使用“經典選民無法實現的戰略投票方案”。量子技術可能有助於大型團體協調並達成共識，例如驗證比特幣等電子貨幣。
康涅狄格州紐黑文市耶魯大學的理論物理學家梁江說，該路線圖對更廣泛的量子社群將很有用，但它主要關注代爾夫特小組採用的技術型別。例如，江和合作者去年發表的理論工作表明，小型或中型網路可以基於微波而不是雷射脈衝。
對於這些應用是否真的有用，或者量子網際網路是否會足夠複雜以使其廣泛可用，研究人員的意見並不一致。但有些人持樂觀態度。“我毫不懷疑它會在某個時候存在，” 韋納說。但是，她補充說，“我認為這將需要很長時間”。
本文經許可轉載，並於2018年10月23日首次發表。