《科學》：互聯網走向量子_風聞

“數十億美元已投入到量子計算機和傳感器的研究，但許多專家認為，只有在這些設備能跨越長距離被連接在一起之時，它們才會真正得到蓬勃發展。這類似於，個人電腦從前只不過是一個名字叫的好聽的打字機和遊戲機而已，是網絡將其躍升成為人們不可或缺的遠程通信門户。”

“量子互聯網可以將很多望遠鏡連接成具有超高分辨率的陣列，可以精確地同步時鐘，可以為金融和選舉提供超安全的通信網絡，也可以讓隨時隨地進行量子計算成為可能。它還可能帶來超出人們目前所有想象的應用。”

以上是《科學》（Science）雜誌最近一篇文章對量子互聯網的描述。量子互聯網將用户、量子計算、量子傳感等節點連為一體，將對眾多重要領域產生深刻影響：從天文、粒子等前沿基礎科學，到關係每個人生存生活的經濟金融領域，再到影響世界未來發展格局的量子計算等新興技術，另外，還極可能帶來目前沒人能想象得到的更革命性應用。

構建全球性的量子互聯網是科學家們的目標，包括中國、美國、歐洲在內的世界各國科學家們正展開競爭，努力將量子信息從實驗室帶到互聯的真實世界。

2021年6月4日，美國《科學》雜誌刊登文章《互聯網走向量子》（The internet goes quantum），文章不僅談論了量子互聯網的重要性和應用前景、發展趨勢以及歐美國家的戰略部署，還着重闡述了我國在該領域的重要進展以及對美國形成的壓力。知己知彼，方可更好地發展，因此，摘譯Science文章的主要內容和觀點如下。該報道分析了量子互聯網的：

來自中國的壓力

在量子科技領域，過去二十年間以潘建偉團隊為代表的中國科學家發展迅速，取得了眾多令世界矚目的成就，特別是在量子通信網絡方面，中國已經成為國際領跑者,在量子計算和模擬領域，也已經是領跑團隊之一。Science文章中引用了多項中國團隊的工作：

（全球第一個量子科學實驗衞星）

“首個能夠傳輸單個糾纏光子的網絡已經開始成形。中國2017年報道的一項成果是最引人矚目的：一顆名為“墨子”的量子衞星將糾纏粒子對發送到相距1200公里的兩個地面站(Science, p1110, 2017-6-16)。這一成就給美國政府敲響了警鐘，最終導致2018年美國《國家量子倡議法案》的通過，該法案經時任總統唐納德·特朗普簽署而成為法律文件，其旨在刺激美國的量子技術。美國能源部一直致力於構想美國的量子互聯網，在今年4月，它進一步加大力度，宣佈投入2500萬美元用於量子互聯網的研發，以連接國家實驗室和大學。”

（天地一體化量子通信網絡）

“由中國科學技術大學物理學家潘建偉領導的這個中國團隊一直在繼續發展他們的網絡。根據Nature雜誌1月份的一篇論文，使用光纖和可信中繼，這一網絡已經跨越4600多公里。在其他國家，一些更短距離的量子連接的可行性也得到了證實。”

（量子中繼器是實現廣域的全糾纏量子網絡的關鍵組成部分）

“潘建偉團隊也演示了用原子雲作為量子存儲的中繼器。但在2019年發表於Nature Photonics的一項研究中，他的團隊演示了一個完全不同方案的早期原型：通過並行光纖發送如此大量的糾纏光子，使得其中至少有一個可能在旅程中存活下來。潘建偉説，這一方案儘管有望避免使用中繼器，但那樣該網絡將需要至少糾纏數百個光子；他們目前的記錄是12個。利用衞星產生糾纏是潘建偉團隊正在開發的另一項技術，這也可以減少對中繼器的需求，因為光子在自由空間中可以存活的距離要比在光纖中長得多。”

正是來自中國的壓力，讓美國重新審視量子科技的現狀及未來：美國《國家量子倡議法案》於2018年通過併成為法律文件，在隨後的幾年時間內，出台量子科技發展的戰略藍圖，成立國家量子信息科學研究中心、以國家實驗室為核心來整合全國力量，白宮政府、能源部、國家科學基金會等不斷出台政策、一再增加資金投入，希望能重新取得量子科技的領先地位。

美國、歐洲的主要進展

（美國將建立雛形的量子網絡以追趕中國腳步）

“波士頓、洛杉磯和華盛頓特區正在建立雛形的量子網絡，還有兩個網絡將把伊利諾斯州的阿貢國家實驗室和費米國家加速器實驗室與芝加哥地區的幾所大學連接起來。”

（歐洲科學家在全糾纏網絡方面的最初探索）

“研究人員已經朝着全糾纏網絡邁出了最初的步伐。2015年，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家把兩顆小鑽石（金剛石NV色心體系）分別放置在校園內相距1.3公里的兩處，將光子與包裹在小鑽石中心的氮原子中的電子自旋糾纏在一起。然後，這些光子被髮送到一箇中間站，在那裏它們相互作用，使得兩個鑽石節點糾纏起來。這項實驗創造了‘可預報’量子糾纏（意味着研究人員可以確認並使用它）的距離紀錄，而且這種連接持續了數微秒。”

（實現廣域的全糾纏量子網絡需要量子中繼）

範圍更廣的網絡需要量子中繼器來對幾乎每一個信號進行復制、校正、放大和重播。雖然對於傳統互聯網來説，中繼器是一種相對簡單直接的技術，但量子中繼器必須避開不可克隆定理。該定理從本質上説，量子態是不可複製的。

“美國石溪大學的Figueroa利用銣蒸氣來當作中繼器的一個組成部分，即量子存儲器。銣原子之所以引人矚目是因為其量子內態可以通過光來設定和控制。在Figueroa的實驗室裏，來自晶體（能使光子頻率劈裂）的糾纏光子進入各自含有1萬億量級銣原子的元件中。在那裏，每個光子的信息被編碼為原子的疊加，並持續了幾分之一毫秒——這對量子實驗來説相當不錯了。”

“哈佛大學的Mikhail Lukin則用另一種不同的介質來建造量子中繼器：包裹在鑽石中的硅原子。入射光子可以輕微調整硅電子的自旋，從而產生潛在的穩定存儲；在2020年發表於Nature雜誌的一篇論文中，他的團隊稱，他們捕獲和存儲量子態的時間超過了五分之一秒，遠遠超過銣存儲的時間。儘管鑽石必須被冷卻到絕對零度以上幾分之一的温度，Lukin認為所需的冷凍機正在迅速變得小型化和高效。”

“在荷蘭代爾夫特理工大學，Wehner和她的同事們也在推動研究鑽石的方法，但他們使用的是氮原子而不是硅。上個月在Science雜誌上，該團隊報道了一項進展：在實驗室中糾纏了三顆鑽石，創造了一個微型量子網絡。……與現實世界量子網絡的要求相比，這種距離還短得多，效率也低得多。”

大多數專家認為，真正的量子中繼器可能還需要幾年的時間，而且最終使用的可能是當今量子計算機中常見的技術，例如超導體或離子阱，而非鑽石或原子雲。這樣的設備將需要捕獲幾乎每一個擊中它的光子，並且可能需要至少幾百個量子比特的量子計算機來對信號進行校正和處理。以一種陰陽相生的觀念來看，更好的量子計算機可以促進量子互聯網的發展，反過來，量子互聯網也可以增強量子計算的威力。

量子互聯網的重要性

科學可能是其第一個受益者。一個可能的用途是甚長基線干涉測量（簡稱：VLBI）。該方法已經連接了全球的射電望遠鏡，成功地創造了一個等效的巨型望遠鏡，其能力之強，足以對遙遠星系中心的黑洞進行拍照。……把分佈各處的量子傳感器糾纏起來，也可以為暗物質和引力波的探測帶來更靈敏的探測網絡。

糾纏可以使原子鐘同步，防止信息在原子鐘之間發送的過程中延遲和錯誤累積。它還可以提供一種連接量子計算機的方法，來增強它們的能力。在不久的將來，量子計算機可能會侷限在每個設備擁有幾百個量子比特，但如果把它們糾纏在一起，也許就能夠處理更復雜的計算。

更進一步，一些人還設想了雲計算的類似物，即所謂的“盲量子計算”。這一想法是：有一天，最強大的量子計算機將位於國家實驗室、大學和公司裏，就像今天的超級計算機一樣。藥物和材料設計者或者股票交易員可能希望在不泄露程序內容的情況下，在遙遠的地點遠程運行量子算法。理論上，用户可以在與遠程量子計算機糾纏的本地設備上對問題進行編碼。這樣既利用了遠程計算機的強大能力，又讓遠程計算機對它正在解決的問題視而不見。

……

“可以肯定的是，量子技術將可以做的最重要的一些事情，我們還沒有想到，”芝加哥大學物理學家、美國中西部網絡的領軍者之一Awschalom説：“要是你認為你已經做了這些事，那也太狂妄傲慢了。”