一组物理学家预测，未来的“量子互联网”在技术成熟之前就可能找到用武之地。
这种利用量子物理独特效应的网络，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在进行其早期开发工作。早期阶段有望实现几乎牢不可破的通信隐私和安全性；一个更成熟的网络可以包括一系列经典系统无法实现的科学及其他领域的应用，包括可以探测引力波的量子传感器。
量子差异
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研究人员认为，这项技术将是对现有互联网的补充而非替代，最终可能会在大学实验室等大型用户和个人消费者中普及，尽管他们没有给出时间表。
他们说，这与量子计算机形成对比——另一种物理学家正在热衷研究的未来主义技术，旨在构建能够超越经典计算机的机器。“在量子计算领域，它更像是要么全有，要么全无，” 理论物理学家斯蒂芬妮·韦纳说，她与她在代尔夫特的同事大卫·埃尔库斯和罗纳德·汉森共同撰写了这篇论文。
德国斯图加特大学的量子物理学家斯特凡妮·巴茨表示同意。她和其他人说，很难预测哪项技术会先出现——广泛采用的量子互联网还是有用的量子计算机。但巴茨说，量子网络有一个很大的优势，“这样一个网络可以逐步构建，并且可以在每个步骤中添加不同的功能”。
该路线图还旨在为该领域建立一种通用语言，该领域涉及来自不同背景的研究人员，包括信息技术、计算机科学、工程和物理学。“人们谈论量子网络时指的是截然不同的事物，” 汉森说，他是一位实验物理学家，也是代尔夫特小组推动构建连接四个荷兰城市的量子互联网演示的负责人之一。
东京庆应大学的量子网络工程师罗德尼·范·米特表示，该论文有助于澄清该领域的目标。“它为我们理解我们正在开发的东西提供了一个新的词汇表。” 他说，该文件阐明的应用方式也有助于研究人员向潜在投资者解释他们的提案。“有了这份路线图，我们就可以进行对话了。”
六个阶段
量子网络和量子计算共享许多概念和技术。两者都利用了在经典物理学中没有类似现象的现象：例如，电子或光子等量子粒子可以处于两种明确定义的自旋状态（顺时针或逆时针）之一，但也处于两者的同时组合中，称为叠加态。而且两个粒子可以“纠缠”，其中它们共享一个共同的量子态。这使得它们即使相隔遥远的距离，也会以看似协调的方式（例如，以相反的方向旋转）行动。
代尔夫特团队为量子互联网的演变制定了六个阶段。
第一个阶段——他们说这是一种第0阶段，因为它没有描述真正的量子互联网——是一个使用户能够建立一个共同加密密钥的网络，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：服务提供商使用它来创建密钥。但提供商也知道密钥，这意味着用户必须信任它。这种类型的网络已经存在，最引人注目的是在中国，它延伸了约2000公里，连接了包括北京和上海在内的主要城市。
在第1阶段，用户将开始参与量子游戏，其中发送者创建量子态，通常用于光子。这些将被发送到接收者，沿着光纤或通过横跨开放空间的激光脉冲发送。在此阶段，任何两个用户都将能够创建只有他们知道的私有加密密钥。
该技术还将使用户能够向 ATM 等机器提交量子密码。机器将能够在不知道密码是什么或无法窃取密码的情况下验证密码。
第 1 阶段尚未大规模尝试，但韦纳说，它已经在小城市范围内技术上可行，尽管速度会非常慢。由潘建伟领导的中国合肥科技大学的一个小组在2017年创造了这种传输的世界纪录，当时他们使用一颗卫星连接了相距 1200 多公里的两个实验室。
在第 2 阶段，量子互联网将利用强大的纠缠现象。它的首要目标是使量子加密基本上牢不可破。此阶段所需的大部分技术已经存在，至少作为初步的实验室演示。
第 3 到第 5 阶段将首次使任何两个用户能够存储和交换量子比特，或量子位。这些是量子信息的单位，类似于经典的 1 和 0，但它们可以同时处于 1 和 0 的叠加状态。量子位也是量子计算的基础。（许多实验室——包括学术界和IBM 或 Google 等大型公司——一直在构建越来越复杂的量子计算机；最先进的量子计算机的内存可以容纳几十个量子位。）
要进入最后阶段需要一些突破。汉森的团队一直走在这些努力的前沿，并且是致力于构建第一个“量子中继器”——一种可以帮助在越来越大的距离上纠缠量子位的设备的团队之一。
时钟和选票
最高阶段网络的早期采用者可能将是科学家自己。实验室将可以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执行经典机器无法完成的实验，例如，模拟分子或材料的量子物理学。量子时钟网络可以显著提高引力波等现象测量的精度，而远距离光学望远镜可以连接它们的量子位以锐化图像。
但是，科学之外也可能存在应用。在选举中，第5阶段的量子互联网可以让选民不仅选择一位候选人，还可以选择候选人的“叠加”，其中可能包括他们第二喜欢的选项。马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森尼天体物理中心的物理学家妮可·扬格·哈尔彭说，“量子选民”可以使用“经典选民无法实现的战略投票方案”。量子技术可能有助于大型团体协调并达成共识，例如验证比特币等电子货币。
康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的理论物理学家梁江说，该路线图对更广泛的量子社区将很有用，但它主要关注代尔夫特小组采用的技术类型。例如，江和合作者去年发表的理论工作表明，小型或中型网络可以基于微波而不是激光脉冲。
对于这些应用是否真的有用，或者量子互联网是否会足够复杂以使其广泛可用，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，” 韦纳说。但是，她补充说，“我认为这将需要很长时间”。
本文经许可转载，并于2018年10月23日首次发表。