今天的網際網路是駭客的樂園。從不安全的通訊連結到雲端防護不足的資料，漏洞無處不在。但是，如果量子物理學家如願以償，這些弱點將很快過時。他們希望構建具有完整量子特性的量子網路，在其中，資訊的建立、儲存和移動方式都反映了量子世界的奇異行為——想想那些可以同時處於死亡和活著狀態的比喻性的貓，或者那些可以施展“幽靈般的超距作用”的粒子。這些系統擺脫了“經典”網路的許多限制，可以提供當今網際網路無法實現的隱私、安全性和計算能力。
儘管完全實現的量子網路仍然是一個遙遠的願景，但在傳輸、儲存和操縱量子資訊方面的突破已經使一些物理學家相信，簡單的原理驗證即將到來。
從有助於光子改變顏色的鑽石和晶體缺陷，到充當幽靈網路節點的無人機，研究人員正在這場量子探索中使用各種各樣的奇異材料和技術。許多人表示，第一階段將是使用標準光纖連線至少三個小型量子裝置（相距約 50 到 100 公里）的量子網路。
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奧地利因斯布魯克量子光學與量子資訊研究所的本·蘭永表示，這樣的網路可能會在未來幾年內建成。蘭永的團隊是歐洲量子網際網路聯盟的成員，該聯盟由荷蘭代爾夫特理工大學的斯蒂芬妮·韋納協調，其任務是建立量子網路。歐洲正在與中國（中國於 2016 年發射了量子通訊衛星“墨子號”）以及美國類似的國家努力競爭。2018 年 12 月，美國政府頒佈了《國家量子倡議法案》，預算充足，用於資助許多致力於量子技術的研究中心，包括量子計算機和網路。“量子網路的主要特點是您傳送的是量子資訊而不是經典資訊，”代爾夫特大學的羅納德·漢森說。經典資訊處理的是值為 0 或 1 的位元。然而，量子資訊使用量子位元，或稱量子位，它可以同時處於 0 和 1 的疊加態。量子位可以被編碼，例如，在光子的偏振態中，或者在電子和原子核的自旋態中。
量子網路
在漢森所謂的“量子網路的唾手可得的成果”中，量子位已經被用於建立金鑰——0 和 1 的隨機字串——然後可以用於編碼經典資訊，這是一種稱為量子金鑰分發 (QKD) 的應用。
QKD 涉及一方（例如 Alice）向 Bob 傳送量子位，Bob 測量量子位（Alice 和 Bob 最早出現在 1978 年關於公鑰密碼學的論文中，現在已成為量子網路中節點的佔位符）。只有對於某些型別的測量，Bob 才會得到與 Alice 在量子位中編碼的值相同的值。Alice 和 Bob 可以在公共通道上比較筆記，以找出這些測量值是什麼，而無需實際共享量子位值。然後，他們可以使用這些私有值來建立共享金鑰，以加密經典訊息。至關重要的是，如果入侵者攔截量子位，Alice 和 Bob 可以檢測到入侵，丟棄量子位並重新開始——理論上可以一直持續到沒有人竊聽量子通道為止。
2018 年 7 月，日內瓦大學的阿爾貝託·博阿龍及其同事報告稱，使用 QKD 在超過 400 公里的光纖上分發了金鑰，速度為每秒 6.5 千位元。相比之下，商業上可用的系統，例如日內瓦公司 ID Quantique 出售的系統，可在 50 公里的光纖上提供 QKD。
Alice 和 BOB 變得“幽靈般”
理想情況下，量子網路的功能將不僅僅是 QKD。下一步將是在節點之間直接傳輸量子態。雖然使用光子偏振編碼的量子位可以透過光纖傳送（就像 QKD 所做的那樣），但使用此類量子位傳輸大量量子資訊是有問題的。光子可能會在途中被散射或吸收，或者可能根本無法在探測器中註冊，從而導致傳輸通道不可靠。幸運的是，有一種更穩健的方式來交換量子資訊——透過使用量子系統的另一種特性，稱為糾纏。
當兩個粒子或量子系統相互作用時，它們可能會變得糾纏。一旦糾纏，兩個系統都由一個單一的量子態描述，因此測量一個系統的狀態會立即影響另一個系統的狀態，即使它們相隔數公里。阿爾伯特·愛因斯坦稱糾纏為“幽靈般的超距作用”，它是量子網路中寶貴的資源。想象一下兩個網路節點，Alice 和 Bob，每個節點都由一些隔離的物質位組成（這是編碼和儲存量子態最明顯和最可靠的基底）。這種“物質節點”可以透過涉及交換糾纏光子的過程彼此糾纏。
使用糾纏物質節點，Alice 可以利用她所擁有的糾纏將整個量子位傳送給 Bob，而無需實際傳輸物理量子位，從而使傳輸萬無一失且安全。這裡的關鍵在於，一旦節點之間建立了糾纏，從 Alice 向 Bob 傳輸量子位的協議就是穩健且確定性的。
但是，要實現跨長距離傳輸，首先需要分發糾纏——通常透過標準光纖網路。2019 年 1 月，因斯布魯克的蘭永團隊報告稱，他們創造了物質與光之間在 50 公里光纖上建立糾纏的記錄。
對於物質，蘭永的團隊使用了一種所謂的囚禁離子——一種被電磁場限制在光學腔中的單個鈣離子。當用雷射操縱時，離子最終將量子位編碼為兩種能量狀態的疊加，同時還發射一個光子，光子中編碼了一個量子位在其偏振態中。離子和光子中的量子位是糾纏的。任務是：在保持糾纏的同時，將該光子透過光纖傳送出去。
不幸的是，囚禁離子發射的光子波長為 854 奈米 (nm)，這在光纖內部持續不了多久。因此，蘭永的團隊將發射的光子送入一個用強大的雷射泵浦的稱為非線性晶體的物質中。整個相互作用將入射光子轉換為另一種“電信”波長的光子，這種光子非常適合光纖。
因斯布魯克團隊隨後將該光子注入一段 50 公里長的光纖中。一旦到達另一端，他們就測試離子和光子，看看它們是否仍然糾纏。結果是它們仍然糾纏。
交換糾纏
蘭永的團隊著手糾纏兩個相距 100 公里的囚禁離子節點。每個節點將透過 50 公里的光纖向中間站點傳輸一個糾纏光子。在那裡，光子將以這樣一種方式被測量，即它們失去與各自離子的糾纏，從而導致離子本身彼此糾纏。因此，相距 100 公里的兩個節點將各自透過一對糾纏量子位形成量子鏈路。整個過程稱為糾纏交換。儘管目前效率相對較低，但蘭永稱該裝置是開發更好、更快的交換系統的“良好開端”。
與此同時，漢森在代爾夫特的團隊已經演示瞭如何將不同型別的物質節點與電信波長光子糾纏。研究人員使用了鑽石中的一種缺陷，稱為氮空位 (NV) 中心。當氮原子取代寶石晶體結構中的碳原子時，就會出現缺陷，在晶格中氮原子旁邊留下一個空位。該團隊使用雷射操縱鑽石 NV 中心一個“自由”電子的自旋，將電子置於自旋狀態的疊加態，從而編碼一個量子位。該過程還會導致光子的發射。光子處於在兩個連續時隙之一中發射的疊加態。“光子始終存在，但處於提前或延遲發射的疊加態，”漢森說。儲存在電子自旋中的量子位和儲存在光子在時隙中存在或不存在的量子位現在是糾纏的。
2015 年，代爾夫特團隊將兩個空間上分離的由鑽石 NV 中心製成的物質節點放置在大約 1.3 公里遠的地方，並用光纖連線起來。然後，該小組從每個節點傳輸一個糾纏光子到大致位於這兩個節點路徑中間的點。在那裡，該團隊交換了糾纏，導致兩個 NV 中心變得糾纏。但與蘭永的實驗一樣，代爾夫特團隊的裝置發射的光子的波長為 637 奈米。當將這種光子注入光纖時，它們的傳播效能非常差，每傳播一公里，強度就會降低一個數量級。“這使得超越幾公里變得不可能，”漢森說。
因此，在 2019 年 5 月，代爾夫特團隊報告了一種類似於因斯布魯克團隊開發的補救措施，也使用了非線性晶體和雷射器將光子轉換為電信波長。在這種方法中，NV 中心和電信波長光子編碼的量子位保持糾纏，為兩個鑽石 NV 中心節點之間的糾纏交換奠定了基礎。
儘管他們尚未透過任何相當長度的光纖傳輸鑽石糾纏的電信波長光子，但漢森相信他們可以做到這一點，然後使用糾纏交換將相距 30 公里的鑽石 NV 中心糾纏起來。“我們現在正在建造其中兩個節點，”他說。“我們將使用已經埋在地下的玻璃光纖來糾纏這兩個 NV 中心。”該團隊的下一個目標是使用現有的光纖基礎設施來糾纏節點，以連線荷蘭的三個城市，這些城市的距離適合進行此類最先進的實驗。
混合搭配：未來的挑戰
因斯布魯克和代爾夫特團隊都只使用一種型別的物質來儲存和糾纏量子位。但是，真實的量子網路可能會在每個節點中使用不同型別的材料，具體取決於手頭的確切任務——例如，量子計算或量子感測。除了操縱量子位之外，量子節點可能還需要將它們短暫儲存在所謂的量子儲存器中。
奧地利科技公司 ams OSRAM 的光子工程師馬塞利·格里莫·普吉伯特說：“目前尚不清楚什麼是正確的平臺和正確的協議。” “能夠連線不同的混合系統總是好的。”
為此，普吉伯特與卡爾加里大學的沃爾夫岡·蒂特爾團隊合作，展示瞭如何糾纏儲存在兩種不同型別材料中的量子位。他們從一個發射一對糾纏光子的源開始，一個波長為 794 奈米，另一個波長為 1,535 奈米。794 奈米的光子與摻銩的鈮酸鋰晶體相互作用，從而使光子的狀態儲存在晶體中。1,535 奈米的光子進入摻鉺光纖，光纖也儲存量子態。
兩個儲存器都設計為在特定時間重新發射光子。該團隊分析了那些重新發射的光子，並表明它們仍然糾纏。反過來，這意味著量子儲存器在這些光子發射之前也處於糾纏狀態，從而在時間上保持了糾纏。
光子波長也被設計為交叉連線不同的傳輸系統：一端是光纖 (1,535 nm)，另一端是衛星通訊 (794 nm)。後者很重要，因為如果要使量子網路實現洲際連線，則需要透過衛星分發糾纏。2017 年，中國科學技術大學潘建偉領導的團隊使用中國的量子衛星“墨子號”在青藏高原和中國西南地區的地面站之間分發了糾纏。
然而，對於量子網路而言，衛星似乎註定仍然是一種昂貴的小眾選擇，只能作為最後的手段。下一個最佳選擇可能是相對便宜的無人機。2019 年 5 月，南京大學的朱時寧及其同事報告說，他們使用一架 35 公斤的無人機將糾纏光子傳送到地面上相距 200 米的兩個量子節點。該實驗使用了節點之間的經典通訊鏈路來確認他們接收到的光子確實是糾纏的。該實驗在各種不同的條件下都取得了成功，在陽光下、黑暗中甚至在雨夜都能工作。作者寫道，如果可以擴大這種無人機的規模並安裝在高空無人飛行器上，則地面節點之間的距離可以擴充套件到約 300 公里。
在邁向功能齊全的量子網路的道路上仍然存在挑戰。可靠的量子儲存器就是其中之一。另一個重要的缺失部分是使用所謂的量子中繼器將量子鏈路的覆蓋範圍擴充套件到任意長距離的能力。量子態不能像經典資訊那樣簡單地複製和重複使用。量子節點將需要複雜的量子邏輯閘，以確保在與環境相互作用造成的損失面前保持糾纏。“這絕對是下一個重大挑戰之一，”蘭永說。
儘管如此，構建連線至少三個城市，甚至最終連線世界的量子網路的基本要素正在逐步到位。“我們現在擁有可以開始首次探索真正的量子網路的平臺，”漢森說。更復雜的網路正在召喚。“沒有保證。那裡只有如果我們成功，我們將能夠做到的酷炫事物的承諾。”