今天的互联网是黑客的乐园。从不安全的通信链接到云端防护不足的数据，漏洞无处不在。但是，如果量子物理学家如愿以偿，这些弱点将很快过时。他们希望构建具有完整量子特性的量子网络，在其中，信息的创建、存储和移动方式都反映了量子世界的奇异行为——想想那些可以同时处于死亡和活着状态的比喻性的猫，或者那些可以施展“幽灵般的超距作用”的粒子。这些系统摆脱了“经典”网络的许多限制，可以提供当今互联网无法实现的隐私、安全性和计算能力。
尽管完全实现的量子网络仍然是一个遥远的愿景，但在传输、存储和操纵量子信息方面的突破已经使一些物理学家相信，简单的原理验证即将到来。
从有助于光子改变颜色的钻石和晶体缺陷，到充当幽灵网络节点的无人机，研究人员正在这场量子探索中使用各种各样的奇异材料和技术。许多人表示，第一阶段将是使用标准光纤连接至少三个小型量子设备（相距约 50 到 100 公里）的量子网络。
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奥地利因斯布鲁克量子光学与量子信息研究所的本·兰永表示，这样的网络可能会在未来几年内建成。兰永的团队是欧洲量子互联网联盟的成员，该联盟由荷兰代尔夫特理工大学的斯蒂芬妮·韦纳协调，其任务是创建量子网络。欧洲正在与中国（中国于 2016 年发射了量子通信卫星“墨子号”）以及美国类似的国家努力竞争。2018 年 12 月，美国政府颁布了《国家量子倡议法案》，预算充足，用于资助许多致力于量子技术的研究中心，包括量子计算机和网络。“量子网络的主要特点是您发送的是量子信息而不是经典信息，”代尔夫特大学的罗纳德·汉森说。经典信息处理的是值为 0 或 1 的比特。然而，量子信息使用量子比特，或称量子位，它可以同时处于 0 和 1 的叠加态。量子位可以被编码，例如，在光子的偏振态中，或者在电子和原子核的自旋态中。
量子网络
在汉森所谓的“量子网络的唾手可得的成果”中，量子位已经被用于创建密钥——0 和 1 的随机字符串——然后可以用于编码经典信息，这是一种称为量子密钥分发 (QKD) 的应用。
QKD 涉及一方（例如 Alice）向 Bob 发送量子位，Bob 测量量子位（Alice 和 Bob 最早出现在 1978 年关于公钥密码学的论文中，现在已成为量子网络中节点的占位符）。只有对于某些类型的测量，Bob 才会得到与 Alice 在量子位中编码的值相同的值。Alice 和 Bob 可以在公共信道上比较笔记，以找出这些测量值是什么，而无需实际共享量子位值。然后，他们可以使用这些私有值来创建共享密钥，以加密经典消息。至关重要的是，如果入侵者拦截量子位，Alice 和 Bob 可以检测到入侵，丢弃量子位并重新开始——理论上可以一直持续到没有人窃听量子信道为止。
2018 年 7 月，日内瓦大学的阿尔贝托·博阿龙及其同事报告称，使用 QKD 在超过 400 公里的光纤上分发了密钥，速度为每秒 6.5 千比特。相比之下，商业上可用的系统，例如日内瓦公司 ID Quantique 出售的系统，可在 50 公里的光纤上提供 QKD。
Alice 和 BOB 变得“幽灵般”
理想情况下，量子网络的功能将不仅仅是 QKD。下一步将是在节点之间直接传输量子态。虽然使用光子偏振编码的量子位可以通过光纤发送（就像 QKD 所做的那样），但使用此类量子位传输大量量子信息是有问题的。光子可能会在途中被散射或吸收，或者可能根本无法在探测器中注册，从而导致传输信道不可靠。幸运的是，有一种更稳健的方式来交换量子信息——通过使用量子系统的另一种特性，称为纠缠。
当两个粒子或量子系统相互作用时，它们可能会变得纠缠。一旦纠缠，两个系统都由一个单一的量子态描述，因此测量一个系统的状态会立即影响另一个系统的状态，即使它们相隔数公里。阿尔伯特·爱因斯坦称纠缠为“幽灵般的超距作用”，它是量子网络中宝贵的资源。想象一下两个网络节点，Alice 和 Bob，每个节点都由一些隔离的物质位组成（这是编码和存储量子态最明显和最可靠的基底）。这种“物质节点”可以通过涉及交换纠缠光子的过程彼此纠缠。
使用纠缠物质节点，Alice 可以利用她所拥有的纠缠将整个量子位发送给 Bob，而无需实际传输物理量子位，从而使传输万无一失且安全。这里的关键在于，一旦节点之间建立了纠缠，从 Alice 向 Bob 传输量子位的协议就是稳健且确定性的。
但是，要实现跨长距离传输，首先需要分发纠缠——通常通过标准光纤网络。2019 年 1 月，因斯布鲁克的兰永团队报告称，他们创造了物质与光之间在 50 公里光纤上创建纠缠的记录。
对于物质，兰永的团队使用了一种所谓的囚禁离子——一种被电磁场限制在光学腔中的单个钙离子。当用激光操纵时，离子最终将量子位编码为两种能量状态的叠加，同时还发射一个光子，光子中编码了一个量子位在其偏振态中。离子和光子中的量子位是纠缠的。任务是：在保持纠缠的同时，将该光子通过光纤发送出去。
不幸的是，囚禁离子发射的光子波长为 854 纳米 (nm)，这在光纤内部持续不了多久。因此，兰永的团队将发射的光子送入一个用强大的激光泵浦的称为非线性晶体的物质中。整个相互作用将入射光子转换为另一种“电信”波长的光子，这种光子非常适合光纤。
因斯布鲁克团队随后将该光子注入一段 50 公里长的光纤中。一旦到达另一端，他们就测试离子和光子，看看它们是否仍然纠缠。结果是它们仍然纠缠。
交换纠缠
兰永的团队着手纠缠两个相距 100 公里的囚禁离子节点。每个节点将通过 50 公里的光纤向中间站点传输一个纠缠光子。在那里，光子将以这样一种方式被测量，即它们失去与各自离子的纠缠，从而导致离子本身彼此纠缠。因此，相距 100 公里的两个节点将各自通过一对纠缠量子位形成量子链路。整个过程称为纠缠交换。尽管目前效率相对较低，但兰永称该装置是开发更好、更快的交换系统的“良好开端”。
与此同时，汉森在代尔夫特的团队已经演示了如何将不同类型的物质节点与电信波长光子纠缠。研究人员使用了钻石中的一种缺陷，称为氮空位 (NV) 中心。当氮原子取代宝石晶体结构中的碳原子时，就会出现缺陷，在晶格中氮原子旁边留下一个空位。该团队使用激光操纵钻石 NV 中心一个“自由”电子的自旋，将电子置于自旋状态的叠加态，从而编码一个量子位。该过程还会导致光子的发射。光子处于在两个连续时隙之一中发射的叠加态。“光子始终存在，但处于提前或延迟发射的叠加态，”汉森说。存储在电子自旋中的量子位和存储在光子在时隙中存在或不存在的量子位现在是纠缠的。
2015 年，代尔夫特团队将两个空间上分离的由钻石 NV 中心制成的物质节点放置在大约 1.3 公里远的地方，并用光纤连接起来。然后，该小组从每个节点传输一个纠缠光子到大致位于这两个节点路径中间的点。在那里，该团队交换了纠缠，导致两个 NV 中心变得纠缠。但与兰永的实验一样，代尔夫特团队的设备发射的光子的波长为 637 纳米。当将这种光子注入光纤时，它们的传播性能非常差，每传播一公里，强度就会降低一个数量级。“这使得超越几公里变得不可能，”汉森说。
因此，在 2019 年 5 月，代尔夫特团队报告了一种类似于因斯布鲁克团队开发的补救措施，也使用了非线性晶体和激光器将光子转换为电信波长。在这种方法中，NV 中心和电信波长光子编码的量子位保持纠缠，为两个钻石 NV 中心节点之间的纠缠交换奠定了基础。
尽管他们尚未通过任何相当长度的光纤传输钻石纠缠的电信波长光子，但汉森相信他们可以做到这一点，然后使用纠缠交换将相距 30 公里的钻石 NV 中心纠缠起来。“我们现在正在建造其中两个节点，”他说。“我们将使用已经埋在地下的玻璃光纤来纠缠这两个 NV 中心。”该团队的下一个目标是使用现有的光纤基础设施来纠缠节点，以连接荷兰的三个城市，这些城市的距离适合进行此类最先进的实验。
混合搭配：未来的挑战
因斯布鲁克和代尔夫特团队都只使用一种类型的物质来存储和纠缠量子位。但是，真实的量子网络可能会在每个节点中使用不同类型的材料，具体取决于手头的确切任务——例如，量子计算或量子传感。除了操纵量子位之外，量子节点可能还需要将它们短暂存储在所谓的量子存储器中。
奥地利科技公司 ams OSRAM 的光子工程师马塞利·格里莫·普吉伯特说：“目前尚不清楚什么是正确的平台和正确的协议。” “能够连接不同的混合系统总是好的。”
为此，普吉伯特与卡尔加里大学的沃尔夫冈·蒂特尔团队合作，展示了如何纠缠存储在两种不同类型材料中的量子位。他们从一个发射一对纠缠光子的源开始，一个波长为 794 纳米，另一个波长为 1,535 纳米。794 纳米的光子与掺铥的铌酸锂晶体相互作用，从而使光子的状态存储在晶体中。1,535 纳米的光子进入掺铒光纤，光纤也存储量子态。
两个存储器都设计为在特定时间重新发射光子。该团队分析了那些重新发射的光子，并表明它们仍然纠缠。反过来，这意味着量子存储器在这些光子发射之前也处于纠缠状态，从而在时间上保持了纠缠。
光子波长也被设计为交叉连接不同的传输系统：一端是光纤 (1,535 nm)，另一端是卫星通信 (794 nm)。后者很重要，因为如果要使量子网络实现洲际连接，则需要通过卫星分发纠缠。2017 年，中国科学技术大学潘建伟领导的团队使用中国的量子卫星“墨子号”在青藏高原和中国西南地区的地面站之间分发了纠缠。
然而，对于量子网络而言，卫星似乎注定仍然是一种昂贵的小众选择，只能作为最后的手段。下一个最佳选择可能是相对便宜的无人机。2019 年 5 月，南京大学的朱时宁及其同事报告说，他们使用一架 35 公斤的无人机将纠缠光子发送到地面上相距 200 米的两个量子节点。该实验使用了节点之间的经典通信链路来确认他们接收到的光子确实是纠缠的。该实验在各种不同的条件下都取得了成功，在阳光下、黑暗中甚至在雨夜都能工作。作者写道，如果可以扩大这种无人机的规模并安装在高空无人飞行器上，则地面节点之间的距离可以扩展到约 300 公里。
在迈向功能齐全的量子网络的道路上仍然存在挑战。可靠的量子存储器就是其中之一。另一个重要的缺失部分是使用所谓的量子中继器将量子链路的覆盖范围扩展到任意长距离的能力。量子态不能像经典信息那样简单地复制和重复使用。量子节点将需要复杂的量子逻辑门，以确保在与环境相互作用造成的损失面前保持纠缠。“这绝对是下一个重大挑战之一，”兰永说。
尽管如此，构建连接至少三个城市，甚至最终连接世界的量子网络的基本要素正在逐步到位。“我们现在拥有可以开始首次探索真正的量子网络的平台，”汉森说。更复杂的网络正在召唤。“没有保证。那里只有如果我们成功，我们将能够做到的酷炫事物的承诺。”