1969年10月29日，首个通过互联网前身阿帕网传输的数据，从加州大学洛杉矶分校的一台计算机传输到帕洛阿尔托斯坦福研究所的一台计算机。
那天晚上，UCLA 的团队与 SRI 团队通了电话，开始输入“LOGIN”。 “我们输入了 L，然后问，‘你收到 L 了吗？’” UCLA 计算机科学家伦纳德·克莱因罗克最近回忆道。“‘收到了’，SRI 回复道。我们输入了 O，然后问，‘你收到 O 了吗？’ ‘收到了。’ 我们输入了 G，然后问，‘你收到 G 了吗？’ 崩溃！SRI 主机崩溃了。这就是启动我们现在称之为互联网的革命的第一条消息。”
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网络传输数据的能力——以及它们崩溃或以其他方式不可预测地运行的倾向——一直令 斯蒂芬妮·韦纳着迷。“在单台计算机上，事情会按顺序发生，”代尔夫特理工大学的物理学家和计算机科学家韦纳说。“在网络上，可能会发生许多意想不到的事情。” 这在两种意义上都是正确的：连接计算机上的程序会相互干扰，产生令人惊讶的效果。网络用户也变得富有创造力。韦纳指出，在互联网的早期，“人们认为我们会用它来发送一些文件。”
韦纳大约在 1992 年首次上网，那时上网还不像现在这么容易。当时在德国的她还是个十几岁的少年，并且已经是一位熟练的计算机程序员，她很快就成为了新兴互联网上的黑客。20 岁时，她找到了一份“好”黑客的工作，代表互联网提供商找出网络漏洞。然后她对黑客行为感到厌倦，并寻求对信息传输和网络的更深入理解。
韦纳现在是从头开始创建一种新型互联网的努力的智力领袖之一。她正在设计“量子互联网”，这是一种网络，它将传输——而不是值为 0 或 1 的经典比特——量子比特，其中 0 和 1 两种可能性共存。这些“量子比特”可能由处于两种不同极化组合的光子构成。通过光纤电缆将量子比特从一个地方发送到另一个地方的能力可能不会像经典互联网那样彻底地改变社会，但它将再次彻底改变科学和文化的许多方面，从安全到计算再到天文学。
韦纳是量子互联网联盟的协调员，该联盟是欧盟的一项倡议，旨在建立一个在整个欧洲大陆传输量子信息的网络。在去年 10 月发表在 《科学》杂志 上的一篇论文中，她和两位合著者提出了一个实现量子互联网的六阶段计划，每个发展阶段都将支持新的算法和应用。第一阶段已经在进行中，正在建设一个演示量子网络，该网络将连接荷兰的四个城市——一种阿帕网的类似物。量子互联网联盟成员、因斯布鲁克大学的特蕾西·诺斯鲁普赞扬了“斯蒂芬妮视野的广度和她对构建能够实现这一目标的大规模结构的承诺”。
放弃黑客行为后，韦纳去了荷兰的大学学习计算机科学和物理学。她听取了量子信息理论家约翰·普雷斯基尔在莱顿的演讲，描述了量子比特在通信方面的优势。几年后，在获得博士学位后，她放弃了经典比特，加入了加州理工学院普雷斯基尔的研究小组，成为一名博士后。
在加州理工学院，除了证明了几个关于量子信息、量子密码学和 量子力学本质的著名定理外，韦纳还成为了“一位天生的领导者”，普雷斯基尔说，他“经常是将人们凝聚在一起的粘合剂”。2014 年，在新加坡担任教授职位后，她搬到了代尔夫特，在那里她开始与实验人员合作，为量子互联网奠定基础。
《量子杂志》 在八月份的两天里采访了韦纳。为了清晰起见，采访内容已进行浓缩和编辑。
量子互联网是一个在遥远地点之间传输量子比特的网络。我们为什么需要这样做？
这个想法不是要取代我们今天的互联网，而是要真正添加新的特殊功能。未来将发现量子网络的各种应用，但我们已经知道其中很多应用。当然，最著名的应用是安全通信：可以使用量子通信来执行所谓的量子密钥分发，即使攻击者拥有量子计算机，安全性也仍然成立。量子计算机将能够破解当今存在的许多安全协议。
是什么让量子密钥如此安全？
理解量子互联网能做什么的一个好方法是思考“量子纠缠”，这是两个量子比特可以拥有的特殊属性，它使这一切成为可能。纠缠的第一个属性是它是“最大程度协调的”：我在这里有一个量子比特，你会在纽约有一个量子比特，我们将使用量子互联网来纠缠这两个量子比特。然后，如果我在这里对我的量子比特进行测量，你在纽约进行相同的测量，我们总是会得到相同的结果，即使结果不是预先确定的。因此，您可以凭直觉认为，由于量子纠缠的第一个属性，量子互联网非常适合需要协调的任务。
现在，考虑到这是如此最大程度的协调，您可能会说，“嘿，如果这种纠缠可以与数百人共享，那不是很好吗？” 但这实际上是不可能的。因此，纠缠的第二个属性是它本质上是私有的。如果我这里的量子比特与你在纽约的量子比特纠缠在一起，那么我们就知道没有任何其他东西可以分享这种纠缠。这就是为什么量子通信非常适合需要安全性的问题的原因。
作为量子通信最简单的应用之一，量子密钥分发最早可能在 2020 年代初在您正在构建的演示网络上可用。未来可能会出现哪些更高级的应用？
新型远程计算将成为可能。假设您有一个专有的材料设计，并且想要在模拟中测试其属性。量子计算机有望在这方面比经典计算机做得更好。但您可以想象，不久的将来，并非世界上的每个人都会在他们的客厅里拥有一台大型量子计算机——可能在我们有生之年都不会。一种方法是将您的材料设计发送给我，我在我的量子计算机上为您运行模拟并告诉您结果。这很棒，但现在我也知道了您的专有材料设计。因此，量子网络实现的一件事是，您可以使用非常简单的量子设备——事实上，它一次只能制造一个量子比特——量子网络可以将量子比特从您的设备传输到我的强大量子计算机。并且您可以使用该量子计算机，使其在执行计算时无法了解您的材料设计。
再举一个例子，人们还表明，纠缠可以在两个地点之间实现更精确的时钟同步，这将有很多应用。量子互联网也可以用于制造更好的望远镜，基本上是通过组合遥远的望远镜。进入望远镜 1 的光粒子的状态使用量子纠缠被远程传送到望远镜 2，然后它们与望远镜 2 的光结合在一起。
您也在模拟未来的量子互联网。为什么这有必要？
借助我们最近构建的这个非常广泛的模拟平台，它现在在超级计算机上运行，我们可以探索不同的量子网络配置，并了解分析上很难预测的属性。通过这种方式，我们希望找到一种可扩展的设计，使量子通信能够在整个欧洲实现。
网络的不可预测性一直让我着迷。计算机很有趣，但我真正关心的是将数据从一个点传输到另一个点。这就是我开始接触黑客行为的原因，也是我最初对经典互联网产生兴趣并获得访问权限的原因。从根本上说，很难掌握网络中发生的事情，因为有太多未表征的事物。例如，如果您想发送消息，您无法准确预测可能需要多长时间。消息可能会丢失。计算机可能会崩溃。它可能会运行得太慢；它可能会损坏数据。它可能以意想不到的方式更改了协议，因为它是一个旧版本、新版本或恶意版本。
在成为一名好黑客之前，你是一名坏黑客吗？
这不是可以在采访中说的事情！我认为当时的社会更美好。但我什么都不承认。[笑。]
你为什么决定放弃黑客行为，成为一名科学家？
我知道黑客行为听起来非常令人兴奋，但我已经做了很长一段时间了。当然，方法会改进，但总的来说都差不多。我感到厌倦，并决定探索一些新的冒险。然后我发现了量子信息理论，这非常令人着迷。
您继续证明的关于量子信息的一个定理是 噪声存储定理。那是什么，它对量子通信有什么影响？
噪声存储是关于基于物理假设的密码学。在经典世界中，人们通常会做出计算假设。例如，您假设很难确定大数的素因子，如果该假设成立，那么我的协议就是安全的。这些安全证明很好，而且无处不在，但人们应该意识到它们可能会在以后失效。如果在未来的任何时候有人发明了一种聪明的程序来解决您的安全所基于的计算问题，那么安全性可能会被追溯性地破坏。例如，当我们拥有量子计算机时，它们将能够分解大数，因此基于分解的安全性将被破坏。如果有人今天记录了您的消息，那么它们可能会在以后被解密。
噪声存储工作是关于：我们是否可以做出一个不能被追溯性破坏的物理假设？物理假设是很难在没有噪声的情况下存储大量量子态，这只需要在很短的时间范围内成立。如果我假设现在您最多只能存储 100 万个噪声量子比特，那么我可以处理我的协议参数，通过发送比这 100 万个噪声量子比特可以捕获的更多信息来提高安全性。这很好，因为如果明天您去购买具有 200 万个量子比特的量子存储器，那就太晚了；信息已经安全发送。
这将使我们能够在量子通信中实施各种协议。假设两个人想要比较彼此的密码，而永远不会泄露密码。这不像我们现在所做的那样，当您使用 ATM 并在那里输入您的 PIN 码时——相反，我将在我自己的设备上输入 PIN 码，它永远不会泄露给 ATM。在噪声存储假设下，该协议成为可能。
对量子互联网的追求是否有可能促进对自然规律的根本性见解——一种边做边学的科学方法？
在科学界，有时会有一种判断，即有些问题是根本性的，而有些问题是平凡的。我认为将人们真正可以使用的东西带入现实世界绝不是平凡的。这非常困难。从“我有一个很棒的想法；让我们在白板上讨论一下”到我现在用来与您交谈的手机，这绝对是一个令人震惊的飞跃。对于量子互联网，我们正试图从头开始做这件事。从零开始。从实验室的早期实验到我们正试图在荷兰建立的网络，再到实验室之外的东西，可以在远处工作，可以被人使用，他们可以玩弄它，然后是那些不需要懂物理学的人也可以使用它。如果系统的一部分已经存在，我们可以说，“现在我们要改进它。” 但是从零到第一个版本的步骤非常大。
在这样做时，我认为我们将在几个领域获得更根本的理解。我们将通过使这些网络成为可能来更多地了解物理学，因为目前我们还不确切知道如何做到这一点。我们仍在尝试不同类型的节点和量子中继器，这些设备可以在远距离中继纠缠。在计算机科学领域，由于与经典通信的根本差异，我们将学习一种全新的编程和控制此类网络的方式。
但我也认为，使用这样的网络，我们可以获得关于创造力和社会科学的信息——实际上是关于人们将如何使用这些网络的信息。如果您看看经典互联网，人们认为我们会用它来发送一些文件。这很棒。但是人们已经变得更有创造力。
我认为很难为这一切制定时间表，但在您有生之年，您希望看到您会合理地描述为量子互联网的东西吗？
我对此表示乐观，是的。
经《量子杂志》Quanta Magazine许可转载，《量子杂志》是西蒙斯基金会的编辑独立出版物，其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究进展和趋势来增进公众对科学的理解。