1969年10月29日，首個透過網際網路前身阿帕網傳輸的資料，從加州大學洛杉磯分校的一臺計算機傳輸到帕洛阿爾託斯坦福研究所的一臺計算機。
那天晚上，UCLA 的團隊與 SRI 團隊通了電話，開始輸入“LOGIN”。 “我們輸入了 L，然後問，‘你收到 L 了嗎？’” UCLA 計算機科學家倫納德·克萊因羅克最近回憶道。“‘收到了’，SRI 回覆道。我們輸入了 O，然後問，‘你收到 O 了嗎？’ ‘收到了。’ 我們輸入了 G，然後問，‘你收到 G 了嗎？’ 崩潰！SRI 主機崩潰了。這就是啟動我們現在稱之為網際網路的革命的第一條訊息。”
支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
網路傳輸資料的能力——以及它們崩潰或以其他方式不可預測地執行的傾向——一直令 斯蒂芬妮·韋納著迷。“在單臺計算機上，事情會按順序發生，”代爾夫特理工大學的物理學家和計算機科學家韋納說。“在網路上，可能會發生許多意想不到的事情。” 這在兩種意義上都是正確的：連線計算機上的程式會相互干擾，產生令人驚訝的效果。網路使用者也變得富有創造力。韋納指出，在網際網路的早期，“人們認為我們會用它來發送一些檔案。”
韋納大約在 1992 年首次上網，那時上網還不像現在這麼容易。當時在德國的她還是個十幾歲的少年，並且已經是一位熟練的計算機程式設計師，她很快就成為了新興網際網路上的駭客。20 歲時，她找到了一份“好”駭客的工作，代表網際網路提供商找出網路漏洞。然後她對駭客行為感到厭倦，並尋求對資訊傳輸和網路的更深入理解。
韋納現在是從頭開始建立一種新型網際網路的努力的智力領袖之一。她正在設計“量子網際網路”，這是一種網路，它將傳輸——而不是值為 0 或 1 的經典位元——量子位元，其中 0 和 1 兩種可能性共存。這些“量子位元”可能由處於兩種不同極化組合的光子構成。透過光纖電纜將量子位元從一個地方傳送到另一個地方的能力可能不會像經典網際網路那樣徹底地改變社會，但它將再次徹底改變科學和文化的許多方面，從安全到計算再到天文學。
韋納是量子網際網路聯盟的協調員，該聯盟是歐盟的一項倡議，旨在建立一個在整個歐洲大陸傳輸量子資訊的網路。在去年 10 月發表在 《科學》雜誌 上的一篇論文中，她和兩位合著者提出了一個實現量子網際網路的六階段計劃，每個發展階段都將支援新的演算法和應用。第一階段已經在進行中，正在建設一個演示量子網路，該網路將連線荷蘭的四個城市——一種阿帕網的類似物。量子網際網路聯盟成員、因斯布魯克大學的特蕾西·諾斯魯普讚揚了“斯蒂芬妮視野的廣度和她對構建能夠實現這一目標的大規模結構的承諾”。
放棄駭客行為後，韋納去了荷蘭的大學學習計算機科學和物理學。她聽取了量子資訊理論家約翰·普雷斯基爾在萊頓的演講，描述了量子位元在通訊方面的優勢。幾年後，在獲得博士學位後，她放棄了經典位元，加入了加州理工學院普雷斯基爾的研究小組，成為一名博士後。
在加州理工學院，除了證明了幾個關於量子資訊、量子密碼學和 量子力學本質的著名定理外，韋納還成為了“一位天生的領導者”，普雷斯基爾說，他“經常是將人們凝聚在一起的粘合劑”。2014 年，在新加坡擔任教授職位後，她搬到了代爾夫特，在那裡她開始與實驗人員合作，為量子網際網路奠定基礎。
《量子雜誌》 在八月份的兩天裡採訪了韋納。為了清晰起見，採訪內容已進行濃縮和編輯。
量子網際網路是一個在遙遠地點之間傳輸量子位元的網路。我們為什麼需要這樣做？
這個想法不是要取代我們今天的網際網路，而是要真正新增新的特殊功能。未來將發現量子網路的各種應用，但我們已經知道其中很多應用。當然，最著名的應用是安全通訊：可以使用量子通訊來執行所謂的量子金鑰分發，即使攻擊者擁有量子計算機，安全性也仍然成立。量子計算機將能夠破解當今存在的許多安全協議。
是什麼讓量子金鑰如此安全？
理解量子網際網路能做什麼的一個好方法是思考“量子糾纏”，這是兩個量子位元可以擁有的特殊屬性，它使這一切成為可能。糾纏的第一個屬性是它是“最大程度協調的”：我在這裡有一個量子位元，你會在紐約有一個量子位元，我們將使用量子網際網路來糾纏這兩個量子位元。然後，如果我在這裡對我的量子位元進行測量，你在紐約進行相同的測量，我們總是會得到相同的結果，即使結果不是預先確定的。因此，您可以憑直覺認為，由於量子糾纏的第一個屬性，量子網際網路非常適合需要協調的任務。
現在，考慮到這是如此最大程度的協調，您可能會說，“嘿，如果這種糾纏可以與數百人共享，那不是很好嗎？” 但這實際上是不可能的。因此，糾纏的第二個屬性是它本質上是私有的。如果我這裡的量子位元與你在紐約的量子位元糾纏在一起，那麼我們就知道沒有任何其他東西可以分享這種糾纏。這就是為什麼量子通訊非常適合需要安全性的問題的原因。
作為量子通訊最簡單的應用之一，量子金鑰分發最早可能在 2020 年代初在您正在構建的演示網路上可用。未來可能會出現哪些更高階的應用？
新型遠端計算將成為可能。假設您有一個專有的材料設計，並且想要在模擬中測試其屬性。量子計算機有望在這方面比經典計算機做得更好。但您可以想象，不久的將來，並非世界上的每個人都會在他們的客廳裡擁有一臺大型量子計算機——可能在我們有生之年都不會。一種方法是將您的材料設計傳送給我，我在我的量子計算機上為您執行模擬並告訴您結果。這很棒，但現在我也知道了您的專有材料設計。因此，量子網路實現的一件事是，您可以使用非常簡單的量子裝置——事實上，它一次只能製造一個量子位元——量子網路可以將量子位元從您的裝置傳輸到我的強大量子計算機。並且您可以使用該量子計算機，使其在執行計算時無法瞭解您的材料設計。
再舉一個例子，人們還表明，糾纏可以在兩個地點之間實現更精確的時鐘同步，這將有很多應用。量子網際網路也可以用於製造更好的望遠鏡，基本上是透過組合遙遠的望遠鏡。進入望遠鏡 1 的光粒子的狀態使用量子糾纏被遠端傳送到望遠鏡 2，然後它們與望遠鏡 2 的光結合在一起。
您也在模擬未來的量子網際網路。為什麼這有必要？
藉助我們最近構建的這個非常廣泛的模擬平臺，它現在在超級計算機上執行，我們可以探索不同的量子網路配置，並瞭解分析上很難預測的屬性。透過這種方式，我們希望找到一種可擴充套件的設計，使量子通訊能夠在整個歐洲實現。
網路的不可預測性一直讓我著迷。計算機很有趣，但我真正關心的是將資料從一個點傳輸到另一個點。這就是我開始接觸駭客行為的原因，也是我最初對經典網際網路產生興趣並獲得訪問許可權的原因。從根本上說，很難掌握網路中發生的事情，因為有太多未表徵的事物。例如，如果您想傳送訊息，您無法準確預測可能需要多長時間。訊息可能會丟失。計算機可能會崩潰。它可能會執行得太慢；它可能會損壞資料。它可能以意想不到的方式更改了協議，因為它是一箇舊版本、新版本或惡意版本。
在成為一名好駭客之前，你是一名壞駭客嗎？
這不是可以在採訪中說的事情！我認為當時的社會更美好。但我什麼都不承認。[笑。]
你為什麼決定放棄駭客行為，成為一名科學家？
我知道駭客行為聽起來非常令人興奮，但我已經做了很長一段時間了。當然，方法會改進，但總的來說都差不多。我感到厭倦，並決定探索一些新的冒險。然後我發現了量子資訊理論，這非常令人著迷。
您繼續證明的關於量子資訊的一個定理是 噪聲儲存定理。那是什麼，它對量子通訊有什麼影響？
噪聲儲存是關於基於物理假設的密碼學。在經典世界中，人們通常會做出計算假設。例如，您假設很難確定大數的素因子，如果該假設成立，那麼我的協議就是安全的。這些安全證明很好，而且無處不在，但人們應該意識到它們可能會在以後失效。如果在未來的任何時候有人發明了一種聰明的程式來解決您的安全所基於的計算問題，那麼安全性可能會被追溯性地破壞。例如，當我們擁有量子計算機時，它們將能夠分解大數，因此基於分解的安全性將被破壞。如果有人今天記錄了您的訊息，那麼它們可能會在以後被解密。
噪聲儲存工作是關於：我們是否可以做出一個不能被追溯性破壞的物理假設？物理假設是很難在沒有噪聲的情況下儲存大量量子態，這隻需要在很短的時間範圍內成立。如果我假設現在您最多隻能儲存 100 萬個噪聲量子位元，那麼我可以處理我的協議引數，透過傳送比這 100 萬個噪聲量子位元可以捕獲的更多資訊來提高安全性。這很好，因為如果明天您去購買具有 200 萬個量子位元的量子儲存器，那就太晚了；資訊已經安全傳送。
這將使我們能夠在量子通訊中實施各種協議。假設兩個人想要比較彼此的密碼，而永遠不會洩露密碼。這不像我們現在所做的那樣，當您使用 ATM 並在那裡輸入您的 PIN 碼時——相反，我將在我自己的裝置上輸入 PIN 碼，它永遠不會洩露給 ATM。在噪聲儲存假設下，該協議成為可能。
對量子網際網路的追求是否有可能促進對自然規律的根本性見解——一種邊做邊學的科學方法？
在科學界，有時會有一種判斷，即有些問題是根本性的，而有些問題是平凡的。我認為將人們真正可以使用的東西帶入現實世界絕不是平凡的。這非常困難。從“我有一個很棒的想法；讓我們在白板上討論一下”到我現在用來與您交談的手機，這絕對是一個令人震驚的飛躍。對於量子網際網路，我們正試圖從頭開始做這件事。從零開始。從實驗室的早期實驗到我們正試圖在荷蘭建立的網路，再到實驗室之外的東西，可以在遠處工作，可以被人使用，他們可以玩弄它，然後是那些不需要懂物理學的人也可以使用它。如果系統的一部分已經存在，我們可以說，“現在我們要改進它。” 但是從零到第一個版本的步驟非常大。
在這樣做時，我認為我們將在幾個領域獲得更根本的理解。我們將透過使這些網路成為可能來更多地瞭解物理學，因為目前我們還不確切知道如何做到這一點。我們仍在嘗試不同型別的節點和量子中繼器，這些裝置可以在遠距離中繼糾纏。在計算機科學領域，由於與經典通訊的根本差異，我們將學習一種全新的程式設計和控制此類網路的方式。
但我也認為，使用這樣的網路，我們可以獲得關於創造力和社會科學的資訊——實際上是關於人們將如何使用這些網路的資訊。如果您看看經典網際網路，人們認為我們會用它來發送一些檔案。這很棒。但是人們已經變得更有創造力。
我認為很難為這一切制定時間表，但在您有生之年，您希望看到您會合理地描述為量子網際網路的東西嗎？
我對此表示樂觀，是的。
經《量子雜誌》Quanta Magazine許可轉載，《量子雜誌》是西蒙斯基金會的編輯獨立出版物，其使命是透過報道數學、物理和生命科學的研究進展和趨勢來增進公眾對科學的理解。