在成为一名理论物理学家之前，斯蒂芬妮·韦纳是一名黑客。像那个领域的多数人一样，她从小就自学成才。15岁时，她用积蓄购买了她的第一个拨号调制解调器，在她德国维尔茨堡父母的家中使用。到了20岁，她已经获得了足够的街头信誉，在阿姆斯特丹的一家由其他黑客创办的荷兰互联网提供商那里找到了一份工作。
几年后，当韦纳担任网络安全专家时，她上了大学。在那里，她了解到量子力学提供了一些当今网络非常缺乏的东西——无法被黑客攻击的通信潜力。现在，她将自己旧的痴迷转向了一个新的渴望。她想重塑互联网。
量子粒子处于未定义状态的能力——就像薛定谔那只著名的猫，既活着又死去——已经被使用多年来增强数据加密。但是，现在在荷兰代尔夫特理工大学的韦纳和其他研究人员认为，他们可以通过利用自然界将遥远物体连接或纠缠在一起，并在它们之间传送信息的神奇能力，利用量子力学做更多的事情。韦纳说，起初，这一切听起来都非常理论化。现在，“人们有了实现它的希望”。
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支持者说，这种量子互联网可以开启一个经典通信无法实现的全新应用领域，包括将量子计算机连接在一起；使用广泛分离的观测站构建超清晰望远镜；甚至建立探测引力波的新方法。有些人认为它有一天会取代当前形式的互联网。维也纳大学的物理学家安东·蔡林格说：“我个人认为，在未来，大部分（如果不是全部）通信都将是量子的。”他于 1997 年领导了第一个量子隐形传输实验。
代尔夫特的一个团队已经开始构建第一个真正的量子网络，该网络将连接荷兰的四个城市。该项目预计将于 2020 年完成，它可能是量子版的 ARPANET，这是美国军方在 1960 年代后期开发的一种通信网络，它为当今的互联网铺平了道路。
参与这项工作的韦纳还在协调一个更大的欧洲项目，称为量子互联网联盟，旨在将荷兰的实验扩展到整个欧洲大陆。作为该过程的一部分，她和其他人正试图将计算机科学家、工程师和网络安全专家聚集在一起，以帮助设计未来的量子互联网。
许多技术细节仍需理清，一些研究人员警告说，现在就断言量子互联网可能带来多大的成果还为时过早。但韦纳说，通过尽早考虑安全性，她希望避免互联网从 ARPANET 继承来的漏洞。“也许我们有机会从一开始就把它做好。”
量子密钥
量子通信的最初提案可以追溯到 1970 年代左右。当时在纽约哥伦比亚大学的年轻物理学家斯蒂芬·威斯纳看到了量子力学最基本原理之一的潜力：不可能在不改变系统的情况下测量系统的属性。
威斯纳提出，信息可以编码在诸如孤立原子之类的物体的状态中，这些原子的“自旋”可以向上或向下指向——就像经典位的 0 和 1 一样——但也可以同时处于两种状态。这种量子信息单元现在通常被称为量子位或量子比特。威斯纳指出，由于无法在不改变量子比特状态的情况下测量其属性，因此也不可能制作出精确的副本或“克隆”。否则，有人可以简单地通过测量其克隆来提取有关原始量子比特状态的信息，而不会影响它。这种禁止后来被称为量子不可克隆，事实证明，它对安全性有利，因为黑客无法在不留下痕迹的情况下提取量子信息。
受威斯纳的启发，1984 年，纽约州约克镇高地的 IBM 的计算机科学家查尔斯·贝内特和他在加拿大蒙特利尔大学的合作者吉勒斯·布拉萨德提出了一个巧妙的方案，两个用户可以通过该方案生成一个只有他们知道的牢不可破的加密密钥。该方案依赖于光可以被偏振的事实，因此电磁波可以在水平面或垂直面中振荡。一个用户将随机的 1 和 0 序列转换为编码在两个偏振状态中的量子密钥，并将其流式传输给另一个人。通过一系列步骤，接收者测量密钥并确定传输没有受到窃听者的测量干扰。在确信密钥安全性的情况下，双方可以随后对任何由经典位组成的消息（例如，图像）进行加扰，然后像通过传统互联网或任何其他通道发送其他加密消息一样发送它。
1989 年，贝内特领导的团队首次通过实验演示了这种“量子密钥分发”（QKD）。如今，使用类似方案的 QKD 设备已在市场上销售，通常出售给金融或政府组织。例如，ID Quantique 是一家于 2001 年在瑞士日内瓦成立的公司，构建了一条量子链路，该链路十多年来一直保护着瑞士的选举结果。
去年，中国科学技术大学物理学家潘建伟的杰作“墨子号”卫星对该方法进行了一些最引人注目的演示。该航天器使用贝内特和布拉萨德协议的变体，创建了两个密钥，然后在飞过时将一个密钥发送到北京的地面站，另一个密钥发送到维也纳。然后，一个车载计算机将两个秘密密钥组合在一起，创建一个新的密钥，并以经典方式将其向下发送。维也纳和北京的团队通过本质上减去他们自己的密钥来解扰该组合密钥，从而了解对方的秘密密钥。有了这两个密钥，一个团队可以解密另一个团队使用其密钥加密的传输。去年 9 月，潘和蔡林格使用这种方法建立了首次洲际视频聊天，该聊天部分是通过量子密钥进行保护的。
诸如墨子号之类的卫星可以帮助解决当今量子通信安全性的主要挑战之一：距离。创建加密密钥所需的光子会被大气吸收，或者（在地面网络的情况下）被光纤吸收，这使得量子传输在几十公里后变得不切实际。
由于量子态无法复制，因此发送多个量子比特副本以希望至少一个会到达是不可行的。因此，目前，创建长距离 QKD 链路需要构建“可信节点”作为中介。如果有人侵入可信节点（该节点以量子和经典形式处理密钥），他们将能够复制密钥而不会被发现——当然，运营该节点的政府或公司也可能这样做。对于地面上的可信节点和墨子号来说都是如此。“卫星知道一切，”潘说。但是，经过的卫星可以减少连接遥远点所需的可信节点的数量。
潘说，可信节点对于某些应用来说已经向前迈进了一步，因为它们减少了网络易受攻击的点。他还领导了广泛的北京-上海量子通信骨干网的创建。该骨干网于 9 月份启动，使用超过 2,000 公里的光纤将 4 个城市与 32 个可信节点连接起来，并且正在测试银行和商业通信，例如连接互联网购物巨头阿里巴巴的数据中心，潘说。
量子连接
但是，涉及可信节点的网络只是部分量子化的。量子物理学仅在节点如何创建加密密钥方面起作用；随后的信息加密和传输完全是经典方式。真正的量子网络将能够利用纠缠和隐形传输在长距离上传输量子信息，而无需易受攻击的可信节点。
构建此类网络的主要动机之一是使量子计算机能够相互通信，无论是在国家之间还是在单个房间内。可以打包到任何一个计算系统中的量子比特数量可能受到限制，因此将系统联网在一起可以帮助物理学家扩大它们的规模。“在这一点上，可以公平地说，你可能能够构建一个拥有几百个量子比特的量子计算机，”马萨诸塞州剑桥哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金说。“但除此之外，实现这一目标的唯一方法是使用这种模块化方法，涉及量子通信。”
在更大的规模上，研究人员设想了一个量子计算云，其中有少数高度复杂的机器可以通过量子互联网从大多数大学实验室访问。“额外的酷炫之处在于，这种云量子计算也是安全的，”代尔夫特的实验物理学家罗纳德·汉森说。“服务器上的人无法知道你正在运行哪种程序以及你拥有的数据。”
研究人员提出了许多其他互联网应用提案——例如拍卖、选举、合同谈判和高速交易——这些应用可以利用量子现象使其比经典应用更快或更安全。
但量子互联网的最大影响可能在于科学本身。一些研究人员表示，利用纠缠同步时钟可以将全球定位系统（GPS）类导航网络的精度从米级提高到毫米级。卢金等人还提议使用纠缠将远距离原子钟组合成一个精度大大提高的单一时钟，他说这可能会带来探测引力波的新方法。在天文学方面，量子网络可以将数千公里外的遥远光学望远镜连接起来，从而有效地使它们获得与该距离相同的单个天线的分辨率。这种称为甚长基线干涉测量法的技术已在射电天文学中得到常规应用，但在光频下运行则需要目前无法达到的时间精度。
幽灵般的安全
在过去的十年左右，马里兰大学帕克分校的物理学家克里斯托弗·门罗和其他人开创的实验已经证明了构建真正量子网络所需的一些基本原理，例如将编码在量子比特中的信息从一个地方瞬移到另一个地方（参见“创建量子互联网”）。
为了了解瞬移（也由贝内特和布拉萨德提出）的工作原理，想象一下两位用户：爱丽丝和鲍勃。爱丽丝持有一个量子比特，它可以是一个俘获的离子或其他量子系统，她想将其存储的信息转移给鲍勃。幸运的是，爱丽丝和鲍勃拥有两个“代理”粒子，它们也是彼此纠缠的量子比特。如果爱丽丝能够将她的量子比特和代理粒子纠缠在一起，那么该量子比特也会因此与鲍勃的粒子纠缠在一起。为此，爱丽丝对她的两个粒子进行一种特殊的联合测量。然后，她与鲍勃分享该测量的结果（这些结果是普通的经典数据）。为了完成瞬移过程，鲍勃然后使用该信息来操纵他的粒子，使其最终处于与爱丽丝的量子比特最初相同的状态。
出于实际目的，爱丽丝和鲍勃如何获得纠缠的代理粒子并不重要。例如，它们可以是由手提箱运送的单个原子，或由第三方发射到这对粒子的光子。（去年，墨子号的一项实验将纠缠的光子对发送到中国两个地面站，距离超过了创纪录的1200公里。）爱丽丝和鲍勃也可以通过将光子发送到第三个位置进行交互，从而使他们持有的量子比特纠缠在一起。
量子瞬移的美妙之处在于量子信息在技术上并不沿网络传输。传输的光子仅用于在爱丽丝和鲍勃之间建立链接，以便随后可以传输量子信息。如果一对纠缠的光子未能建立连接，则会使用另一对。这意味着如果光子丢失，量子信息不会丢失。
链接与重复
量子互联网将能够在任何两个用户之间按需产生纠缠。研究人员认为，这将涉及通过光纤网络和卫星链路发送光子。但是，连接远距离用户将需要一种能够扩展纠缠范围的技术，即在用户之间以及沿中间点中继纠缠。
卢金及其合作者在2001年提出了量子中继器的一种工作方式。在他们的方案中，可以使用可以存储量子比特并对其执行简单操作的小型量子计算机，来使上游站的量子比特与下游站的量子比特纠缠。沿着网络路径重复应用这种“纠缠交换”过程最终会在任意两个用户之间产生纠缠。
2015年，汉森及其合作者展示了如何构建网络的一条腿，当时他们连接了由金刚石晶体中单个原子杂质构建的两个量子比特，它们之间的距离为1.3公里。两个量子比特发射的光子向中间站传播，然后在那里相互作用，从而建立了纠缠。“这表明可以真正地在两个遥远的量子信息处理器之间建立纠缠——强大的、可靠的纠缠，”马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的物理学家塞思·劳埃德说。
研究人员正在研究构建和操纵量子比特的其他方法，包括使用悬浮在真空中的单个离子（由门罗和其他人开创），以及使原子和在腔体内两个镜子之间反弹的光子配对的系统。
与汉森的金刚石系统一样，这些量子比特可用于构建量子中继器和量子计算机。对于希望加强量子通信的人们来说，幸运的是，中继器的要求可能不如成熟的量子计算机的要求高。巴黎狄德罗大学的量子计算研究员约尔达尼斯·凯雷尼迪斯在去年9月在奥地利塞费尔德举行的量子中继器研讨会上提出了这一论点。“如果你告诉实验人员你需要1000个量子比特，他们会笑，”他说。“如果你告诉他们你需要十个——好吧，他们就笑得少了。”
创建量子互联网的前景现在正在成为一个系统工程问题。“从实验的角度来看，人们已经展示了量子网络的各种构建模块，”奥地利因斯布鲁克大学的物理学家特蕾西·诺瑟普说，她的团队致力于腔量子比特的研究，并且是韦纳泛欧量子互联网联盟的一部分。“但是将它们放在一个地方——我们都看到了这是多么具有挑战性，”诺瑟普说。
目前，韦纳的联盟仍处于早期阶段，正在寻求公共资金以及企业合作伙伴。与此同时，荷兰的示范网络——韦纳与汉森和荷兰研究机构TNO的联合系统工程师埃尔文·范·兹韦特共同领导——一直在向前发展。汉森和他的同事们一直在提高系统的速度，在2015年的实验中，他们在相当于约9天的时间里只纠缠了245个量子比特对。另一个关键挑战是可靠地将来自金刚石量子比特的可见波长的光子转换为可以在光纤中良好传输的较长红外波长的光子；这很棘手，因为新的光子仍然必须携带旧光子的量子信息，但又不可能克隆它。今年早些时候，汉森和他的同事通过使光子与较长波长的激光束相互作用实现了这一目标。该技术将使量子比特能够在光纤上以数十公里的距离连接起来。
汉森的团队现在正在代尔夫特和海牙之间建立一个链接，这两个地方相隔10公里。到2020年，研究人员希望连接四个荷兰城市，每个站点都有一个站点充当量子中继器。如果成功，该项目将成为世界上第一个真正的量子瞬移网络。该小组的目标是向其他有兴趣远程进行量子通信实验的团队开放该网络，就像IBM的量子体验一样，该体验允许远程用户访问基本的量子计算机。
该网络可以成为研究人员修复互联网的一些缺陷的试验平台，尤其是用户伪造或窃取身份的便利性。“从一开始，加入网络而无需建立身份的想法就是一个问题，”电信设备巨头思科的网络工程师罗伯特·布罗伯格在塞费尔德会议上说。韦纳和其他人提出了量子技术，该技术将允许用户通过证明他们拥有正确的秘密代码（一系列经典比特）来证明其身份，而无需传输该代码。相反，用户和服务器使用代码创建一系列量子比特，并将它们发送到中间的“黑匣子”。黑匣子（例如，可以是一台自动取款机）可以比较这两个序列以查看它们是否匹配，而无需知道基础代码。
但是一些研究人员警告不要过度宣传这项技术的潜在影响。“今天的互联网永远不会完全是量子的，就像计算机永远不会全部是量子的一样，”瑞士日内瓦大学的物理学家，ID Quantique的联合创始人尼古拉斯·吉辛说。并且人们希望通过量子网络实现的许多事情可以通过更传统的技术来完成。“有时，乍一看某个东西似乎是个好主意，然后事实证明，在没有量子效应的情况下很容易实现，”加拿大滑铁卢大学的物理学家诺伯特·吕特肯豪斯说，他正在帮助制定未来量子互联网的标准。
时间会证明量子互联网的承诺是否会实现。据我们所知，瞬移是一种虽然在物理上可行，但不会在自然界中发生的现象，Zeilinger说。“所以这对人类来说真的是全新的。可能需要一些时间。”
韦纳对物理学和网络安全的熟悉使她成为该领域人们的参考点。在完成了许多核心量子理论工作之后，她很享受有机会塑造这些未来的网络。“对我来说，”她说，“这真的是一个完整的循环。”
更正 2018年2月22日：本故事的早期版本指出，罗纳德·汉森正在领导荷兰示范网络的建设。该项目有三位共同负责人。
本文经许可转载，并于2018年2月14日首次发表。