學界 | Nature：量子互聯網的出現將帶來什麽？

大數據文摘出品

編譯：fuma、小七、雲舟

一個物理學家團隊曾在《Nature》上發文預測，未來的“量子互聯網”可能在技術成熟之前就會開始應用。那麽，神秘的量子互聯網在應用端究竟有哪些優勢呢？本文就將帶你一探究竟。

量子互聯網利用了量子物理學的獨特效應，與我們今天使用的經典互聯網有著根本的不同。其實早在量子物理學發展的早期階段，世界各地的研究團隊就已經展開了將其應用於互聯網的研究工作。

在這個領域第一階段的研究就能夠保證通信時隱私的絕對安全； 一個更成熟的量子網絡可能包含一系列科學應用，而這些應用是傳統系統無法實現的，比如可以探測引力波的量子傳感器等。

荷蘭代爾夫特理工大學（Delft University of Technology）的一個著名的量子互聯網研究團隊現在發布了一個路線圖，闡述了量子網絡複雜性的各個階段，並詳細說明了每個層級所涉及的技術挑戰。他們的路線圖已在《Science》10月18日的期刊中發表。

鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/362/6412/eaam9288

量子差異

研究人員認為，量子互聯網這種技術是對現有互聯網的一種補充，而不是取代，其最終將會擴展到大型用戶中，如大學實驗室和個人消費者，但是研究人員尚未明確實現這種轉變的時間。

與之形成鮮明對比的是，物理學家們正在狂熱地研究另一種未來主義技術——量子電腦，一個旨在建造能夠超越傳統電腦的機器。理論物理學家Stephanie Wehner說：“在量子計算領域，它要麽成為統治者，要麽只能淪為淘汰品！”她與Delft的同事David Elkouss和Ronald Hanson共同撰寫了這篇論文。

德國斯圖加特大學的量子物理學家Stefanie Barz對此表示讚同。她說，對於廣泛採用的量子互聯網和非常實用的量子電腦這兩種技術，很難預測哪一個將首先出現，但是量子互聯網有一個很大的優勢,即量子互聯網可以逐步建立，並且可以在每一階段中添加不同的功能。”

由荷蘭代爾夫特理工大學發布的路線圖還旨在為涉及不同背景的研究人員建立一個共同語言，包括資訊技術、電腦科學、工程學和物理學。Hanson說，“人們談論的量子網絡，其實意味著截然不同的事情，” Hanson是一位實驗物理學家，也是Delft團隊推動建立連接四個荷蘭城市的量子互聯網項目的長官人之一。

東京慶應義塾大學（Keio University）的量子網絡工程師Rodney Van Meter表示，上述的論文有助於澄清該領域的目標。“它為我們提供了一個新的語言來理解我們正在研究的內容。”他說：“文檔闡明應用程式的方式也可以幫助研究人員向潛在投資者解釋他們的建議。通過這個路線圖，我們就可以輕鬆進行這種對話。”

六個階段

量子網絡和量子計算共享許多概念和技術。兩者都利用了量子力學特有的性質——量子糾纏，在經典物理學中並沒有類似的現象。我們來舉個例子吧，諸如電子或光子的量子粒子可以處於兩種明確定義的旋轉狀態之一，順時針或逆時針，但也可以同時組合兩者，稱為疊加。並且兩個粒子可以“糾纏”，其中它們共享共同的量子態。這使得它們無論被相隔多遠，都能相互協調共同作用（例如在相反方向上旋轉）。

量子互聯網的六個階段

研究人員已經確定了未來量子互聯網可以達到的六個複雜階段，以及用戶可以在每一階段做什麽。

0、可信節點網絡：用戶可以接收量子生成的代碼但不能發送或接收量子狀態。 任何兩個最終用戶都可以共享加密密鑰（但服務提供商也會知道它）。

1、準備和測量：最終用戶接收和測量量子態（但不一定涉及量子糾纏現象）。 兩個最終用戶只有在他們知道的情況下才能共享私鑰。此外，用戶可以在不泄露密碼的情況下驗證密碼。

2、糾纏分布網絡：任何兩個最終用戶都可以獲得糾纏狀態的量子（但不能存儲它們）。這就提供了最強大的量子加密。

3、量子記憶體網絡：任何兩個最終用戶都能獲取和存儲處於糾纏態的量子比特（資訊的量子部門），並且可以相互傳送量子資訊。這樣的網絡實現了雲量子計算。

4＆5、量子計算網絡：網絡設備是成熟的量子電腦（能夠對數據傳輸進行糾錯）。這些階段將實現不同程度的分布式量子計算和量子傳感器，並應用於科學實驗。

Delft團隊為量子互聯網的發展規劃了六個階段：

第零階段（Delft團隊認為它沒有描述真正的量子互聯網，因此為第零階段）是一個網絡，使用戶能夠建立一個通用的加密密鑰，以便他們可以安全地共享他們的數據。量子物理僅在幕後發生：服務提供商使用它來創建密鑰。 但是提供者也知道密鑰，這說明用戶必須信任它。這種類型的網絡事實上已經存在，尤其是在中國，它覆蓋了2000多公里，連接了包括北京和上海在內的主要城市。

在第一階段，用戶將開始進入量子世界，發送者創建量子狀態。這些量子將沿著光纖或者通過在開放太空中發射的雷射脈衝發送到接收器。在此階段，任何兩個用戶都可以創建只有他們知道的私有加密密鑰。

該技術還將使用戶能夠將量子密碼提交給諸如ATM之類的機器。機器將能夠在不存儲或者竊取密碼的前提下驗證密碼。

Wehner說，“第一階段尚未進行大規模試驗，但在小城市規模上已經具備了技術可行性，儘管它會非常緩慢。” 由中國科技大學潘建偉長官的一個小組在2017年創造了這種傳輸的世界紀錄，當時他們用一顆衛星連接了兩個相距1200多公里的實驗室。

在第二階段，量子互聯網將利用強大的量子糾纏現象來實現。它的第一個目標是使量子加密基本上牢不可破。這個階段所需的大多數技術已經存在，在各地的實驗室中已經可以進行基礎演示了。

第三階段到第五階段將首次使任何兩個用戶能夠存儲和交換量子比特（簡寫為qubits）。量子比特是量子資訊部門，類似於經典的1和0，但它們可以同時疊加1和0。量子比特也是量子計算的基礎。（無論是在學術界還是在IBM或者google這樣的大公司，都在構建越來越複雜的量子電腦；最先進的實驗室擁有可以容納幾十個量子比特的記憶體。）

最後階段需要幾個突破。Hanson的團隊一直在該領域的最前沿努力著，並且正致力於構建第一個“量子中繼器”。這種設備可以幫助在越來越大的距離上實現量子比特的糾纏。

量子時鐘網絡和量子選舉

最高階段網絡的早期使用者可能是科學家自己。實驗室可以遠程連接到第一台高級量子電腦，或將這些機器連接起來作為一台電腦。

然後，他們可以使用這些系統進行經典電腦無法實現的實驗，例如模擬分子或材料的量子物理學。量子時鐘網絡可以極大地提高引力波等現象的測量精度，遙遠的光學望遠鏡可以連接它們的量子比特以銳化影像。

除了科學應用之外，量子互聯網也有別的用武之處。在一次選舉中，第五階段的量子互聯網可以讓選民不只選擇一個候選人，還能選擇候選人的“疊加”，即選擇第二個候選人。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Nicole Yunger Halpern說，“使用量子網絡選舉的選民可以採用傳統選舉時無法實施的戰略投票計劃”。 量子技術還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理論物理學家梁江表示，路線圖對廣泛的量子社區是很有借鑒意義的，但主要局限於Delft團隊採用的技術類型。例如，梁江和他的同伴去年發表的理論表明，中小規模的網絡可以基於微波而不是雷射脈衝進行資訊發送。

關於這些應用是否會真正實現，或者量子互聯網是否足夠複雜以使其廣泛可用，研究人員的意見是不一致的。Wehner對此持正面態度，她表示：“我毫不懷疑它會在某個時刻實現，但是這可能這需要很長時間”。

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