量子互联网的未来 

这样一个利用量子物理独特效应的网络，将与我们今天使用的经典互联网有着根本的不同，世界各地的研究小组已经开始它早期发展阶段的研究。第一阶段承诺的是在通信中几乎牢不可破的隐私和安全;一个更成熟的网络可能包括一系列的科学应用，以及在经典系统中无法实现的应用，包括可以探测引力波的量子传感器。

荷兰代尔夫特理工大学一个杰出的量子互联网研究团队现在发布了一份路线图，列出了网络成熟度的各个阶段，并详细介绍了每一个阶段将迎接的技术挑战。他们的预测发表在10月18日的《科学》杂志上。

量子差异

研究人员认为，这种技术将补充而不是取代现有的互联网，最终可能会在大学实验室等大型用户和个人消费者中广泛使用，尽管他们没有给出时间范围。

他们说，这与量子计算机形成了鲜明对比。量子计算机是物理学家们正在狂热研究的另一项未来技术，旨在制造出性能胜过经典计算机的机器。“在量子计算领域，要么全有要么全无，”理论物理学家Stephanie Wehner说。

德国斯图加特大学的量子物理学家Stefanie Barz对此表示赞同。他们认为，很难预测哪种技术会首先出现——广泛采用的量子互联网还是有用的量子计算机。但是量子网络有一个很大的优势，Barz说，因为“这样的网络可以一步一步建立起来，每一步都可以添加不同的功能”。

该路线图还旨在为一个领域建立一种通用语言，该领域的研究人员具有不同的背景，包括信息技术、计算机科学、工程和物理。“人们谈论量子网络意味着截然不同的东西，”Hanson说。Hanson是一位实验物理学家，他正参与领导代尔夫特团队建立量子互联网样本的进程，这个网络将连接荷兰的四座城市。

东京庆应义塾大学(Keio University)量子网络工程师Rodney Van Meter表示，这篇论文有助于阐明该领域的目标。“它给了我们一个新的词汇来理解我们正在开发的东西。”他说，文件中详细说明应用的方式也可以帮助研究人员向潜在投资者解释他们的建议。“有了这份路线图，我们就可以展开对话了。”

六个阶段

量子网络和量子计算共享许多概念和技术。它们都利用了经典物理学中没有类似物的现象:例如，一个量子粒子，如电子或光子，可以处于两个明确定义的自旋状态之一，顺时针或逆时针旋转，但也可以同时结合在一起，称为叠加。两个粒子可以“纠缠”在一起，它们共享一个共同的量子态。这使得它们以看似协调一致的方式行动(比如向相反的方向旋转)，即使它们相隔很远。

量子互联网的六个步骤

研究人员已经列出了未来量子互联网可能达到的6个复杂阶段，以及用户在每个层次上可以做些什么。

0可信节点网络:用户可以接收量子产生的代码，但不能发送或接收量子状态。任何两个终端用户都可以共享加密密钥(但是服务提供者也知道)。

1准备和测量:终端用户接收和测量量子状态(但量子纠缠现象不一定涉及)。两个终端用户可以共享一个只有他们知道的私钥。此外，用户可以在不泄露密码的情况下验证密码。

2 纠缠分布网络:任何两个终端用户都可以获得纠缠状态(但不存储)。它们提供了最强的量子加密。

3量子存储网络:任意两个终端用户获取和存储纠缠量子位元(信息的量子单位)，并可以相互传送量子信息。这些网络使云量子计算成为可能。

4、5量子计算网络:网络上的设备是成熟的量子计算机(能够对数据传输进行纠错)。这些阶段将使不同程度的分布式量子计算和量子传感器能够应用于科学实验。

代尔夫特大学的研究小组已经为量子互联网的发展规划了六个阶段(参见“量子互联网的六个步骤”)。

第一个阶段(他们说这是一个阶段0，因为它没有描述真正的量子互联网)是一个网络，使用户能够建立一个共同的加密密钥，以便他们可以安全地共享他们的(经典)数据。量子物理只发生在幕后:服务提供者使用它来创建密钥。但是提供者也知道密钥，这意味着用户必须信任它。这种类型的网络已经存在，尤其是在中国，它延伸超过2000公里，连接包括北京和上海在内的主要城市。

在第一阶段，用户将开始进入量子交互，其中发送者创建量子状态，通常是光子。这些信号将通过光纤或激光脉冲发送到接收器上。在这个阶段，任何两个用户都可以创建一个只有他们知道的私有加密密钥。

这项技术还可以让用户提交一个量子密码，例如，一台ATM机。该机器将能够验证密码，而不知道它是什么，也不能够窃取它。

第一阶段还没有大规模的尝试，但是在小城市的规模上它已经在技术上可行了，Wehner说，尽管它会非常缓慢。由中国科学技术大学的潘建伟带领的一个小组在2017年创造了这种传播的世界纪录，他们利用一颗卫星将两个相距1200多公里的实验室连接起来。

在第二阶段，量子互联网将利用强大的纠缠现象。它的第一个目标是使量子加密在根本上牢不可破。这个阶段需要的大多数技术已经存在，至少是初步的实验室样品。

阶段3到5将首次允许任意两个用户存储和交换量子位。这些是量子信息的单位，类似于经典的1和0，但它们可以同时叠加1和0。量子位也是量子计算的基础。(许多实验室——无论是在学术界还是在IBM或谷歌等大公司——都在建造越来越复杂的量子计算机;最先进的计算机的存储器可以容纳几十个量子位。

进入最后阶段需要几个突破。Hanson的团队一直走在这些努力的最前沿，也是致力于建造第一个“量子中继器”的团队之一。“量子中继器”是一种能够帮助量子位元在越来越大的距离上纠缠在一起的设备。

时钟和选票

最高阶段网络的早期采用者可能是科学家们自己。实验室将能够远程连接到第一批先进的量子计算机，或者将这些机器连接起来，作为一台计算机工作。

然后，他们可以使用这些系统来进行实验，这在经典机器上是不可能的，例如，模拟分子或材料的量子物理。量子时钟网络可以大大提高对引力波等现象的测量精度，而遥远的光学望远镜可以将量子位元连接起来，以锐化图像。

但也可能有科学以外的应用。在选举中，第五阶段的量子互联网可以让选民不仅选择一位候选人，还可以选择“叠加”的候选人，比如他们的第二选择。位于马萨诸塞州剑桥的哈佛-史密森天体物理中心的物理学家Nicole Yunger Halpern说，“量子选民”可以使用“传统选民无法实施的战略投票方案”。量子技术可能会帮助大型团体协调并达成共识，例如，验证电子货币(如比特币)。

耶鲁大学(Yale University)的理论物理学家Liang Jiang说，路线图对更广泛的量子社区很有用，但它主要关注的是德尔福集团采用的技术类型。例如，Jiang和他的合作者去年发表的理论工作表明，中小型网络可以基于微波而不是激光脉冲。

对于这些应用程序是否真正有用，或者量子互联网是否会足够复杂到可以广泛使用，研究人员的意见并不一致。但有些人持乐观态度。“我毫不怀疑它会在某个时候存在，”Wehner说。但她补充称，“我认为这需要很长时间”。

作者：Davide Castelvecchi

翻译：侯清漪