量子互联网究竟是什么？
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编者按：2020年7月美国政府宣布了建设量子互联网的蓝图。这份报告称，基于量子力学的通信系统是“二十一世纪最重要的技术前沿之一”，科学家计划借此建立一个“几乎不可破解的网络”。能够更安全地控制和传输信息的量子互联网目前处于发展初始阶段，未来将对科学、工业及国家安全相关关键领域产生深远影响。量子互联网可能首先在银行和医疗服务等行业推广，应用于国家安全和航空通信领域，最终对全球每个人的生活产生广泛影响。量子互联网究竟是什么？《探索》杂志的记者Dan Hurley，深入科研一线进行了观察，本文是他的记录，原文标题《The Quantum Internet Will blow Your Mind. Here’s What It Will Look Like》。
下一代互联网将依靠革命性的新技术，带来不可破解的网络和比光速更快的信息传播。
这就是“量子伊甸园”，在纽约市以东五十多英里的布鲁克海文国家实验室里，Eden Figueroa是量子世界的先驱园丁之一，他正在播下量子互联网的种子。量子互联网能够在遥远的距离上发送大量的数据，工作速度不仅比现在的互联网快，而且比光速还快，事实上，就像《星际迷航》中斯波克和柯克船长的传送机的“远距传送”一样，是瞬间的。
坐在布鲁克海文大学光线充足的食堂里，他那一头齐肩的黑发正努力挣脱马尾辫的束缚，Figueroa是一个土生土长的墨西哥人，也是纽约州立大学石溪分校，他试图解释量子互联网将如何运作。他抓起两个塑料咖啡杯盖、一个盐罐、一个胡椒罐和一小杯水，开始像魔术师打牌一样在午餐桌上移动它们。
他指着两个盖子说：“我这里有一个探测器，这里也有一个探测器”。“现在有许多可能性。要么这两个放在这里”，他指着盐罐，“要么这两个放在那里”，对着那杯水点点头。“然后根据那里发生的事情，那将是我在这里准备的状态，”他说，举起黑胡椒罐，“那是我在这里准备的。”
一头雾水吗？我也一样，但别担心。在美国、欧洲和中国，只有几百名左右的物理学家真正理解如何利用量子物理学中一些最奇怪、最前言的方面。在这个奇怪的舞台上，物体可以同时以两种或两种以上的状态存在，称为叠加态；它们可以在长距离内瞬间相互作用；它们可以闪进闪出。像Figueroa这样的科学家想利用这种奇异的行为，并将其转化为一个正常运行的新时代互联网，他们说，这个互联网将是坚不可摧的，可以安全地发送信息，不受黑客的攻击。
Figueroa说，他的小组已经利用光纤基础设施在石溪校区和布鲁克海文校区之间传输了他所谓的 “偏振态”（polarization states），加起来有85英里。布鲁克海文实验室计算科学计划主任Kerstin Kleese van Dam说，这是“世界上大规模的量子网络之一，也是美国距离最长的量子网络”。
下一步， Figueroa 希望远距离传送他的基于量子的信息，穿过长岛湾，到康涅狄格州的耶鲁大学。然后，他想向东50英里，利用现有的光缆与长岛和曼哈顿连接。
Figueroa和研究人员Mehdi Namazi（左）和Mael Flament（中），他的团队在2018年的石溪大学的一部分，站在一个不受黑客攻击的技术原型背后。(来源：石溪大学)
Kleese Van Dam表示，虽然欧洲和中国的其他团体拥有更多的资金，并且在技术上的研究时间更长，但在美国，“[Figueroa]在未来一两年内组建量子网络所需的知识和设备方面处于领先地位。”
David Awschalom是芝加哥大学普利兹克分子工程学院自旋电子学和量子信息教授、芝加哥量子交换所所长，他是该领域的传奇人物，他称Figueroa的工作是“一个做得非常周到和非常好的梦幻般的项目。我很少说一些东西是‘大’的或‘最快的’。”他说。“这是目前世界范围内构建原型量子网络的努力，作为构建量子互联网的下一步。” 他说，其他构建量子网络的努力，正在日本、英国、荷兰和中国进行，更不用说他自己小组在芝加哥的项目了。
美国能源部在1月份宣布，将花费高达6.25亿美元资助2至5个量子研究中心，这让推动了美国量子方面的努力。此举是美国总统特朗普于2018年12月21日签署的美国国家量子计划的一部分。
但是，这个叫做量子互联网的东西，到底是什么？它是如何运作的呢？Figueroa着迷于他的设想，他以极具感染力的热情向我讲述他的计划，时而大笑，仿佛这一切简单到一个孩子（或者文科生）都能理解。我不想让他失望，就点了点头，假装自己知道他到底在说什么。
在去年夏天和Figueroa一起度过了两天，跟着他在布鲁克海文的校园里和附近的石溪校园，得到了他的未来主义设备的第一手资料，与世界各地的其他物理学家交谈，阅读了几本书，浏览了几十篇文章和研究后，我开始有点明白了。理解地不深，类似与我弄明白了内燃机如何运作，或冲水马桶是怎么运作的，所以你也可以理解。
解开量子纠缠
Figueroa把我领到他在石溪实验室的一个房间，他是量子信息技术小组的负责人，向我展示了一张大桌子，上面布满了由小镜子、激光器和电子器件组成的迷宫。“这就是我们创造这些携带叠加的光子的地方。”他说，“然后我们可以把这些光子送进光纤。明白么？就这么简单。”
好吧，说起来确实简单。
让人好奇的是，量子互联网的所有意义都可以追溯到一个实验，这个实验非常简单，你可以在客厅里做。被称为双缝实验（double-slit experiment），它是200多年前由英国博学家Thomas Young首次进行的。
Young看到，当用一束光照在一块并排开有两个狭缝的平面材料板上时，通过狭缝的光在面板后面的屏幕上形成了一个由暗带和亮带组成的干涉特性图案。只有从两个狭缝中发出的波，光波，才能形成这样的图案。Young认为，1704年发表光的粒子理论的牛顿是错误的。光是以波的形式出现的，而不是以粒子的形式出现的。
但到了20世纪初，科学家们已经证实，光也是以粒子的形式出现的，物理学家吉尔伯特-N-路易斯称之为光子，或者说是量子。而令人难以置信的是，研究人员发现，即使单光子在双缝板上一次一次地被送飞，另一边仍然会出现干扰图案。他们意识到，每一个粒子也是一种波，像奶油奶酪的碎片一样散开，因此同时穿越两个狭缝，从而在另一边干扰自己。
想一想，一个光粒子同时在两个地方，这意味着在一个地方挠痒痒一个粒子，它在另一个地方也会傻笑。在一个地方观察它，应该能发现它的双胞胎的一些情况。Erwin Schrödinger称这种现象为纠缠，正是Figueroa和其他研究人员现在利用它来发送信息的原因。简单地说，在一个位置的粒子上添加信息，如信息或数据，将使数据出现在另一个位置：远程瞬间传输的本质。
但是，我问Figueroa，所有这些疯狂的想法如何在实践中发挥作用，用螺母和螺栓和机器设备？
“让我告诉你，神奇的事情发生在哪里。”他说。
量子记忆
“这只是设备和光学仪器。”他告诉我，指着一张大桌子上配置的激光器和镜子阵列。“这就是人们所说的成人乐高。”在一端，一个激光器将高能的蓝色光子瞄准一个晶体，它将每个晶体分解成一对能量较低的红色光子；所产生的两个红色光子中的每一个现在都与另一个纠缠在一起。Figueroa指出了光子从镜子到镜子的路径。“这就是为什么我们有这个美丽的系统，这是在工作，这也是有美感的。”他说。
一旦纠缠在一起，一个红色光子会被短距离地送到走廊下Figueroa实验室的探测器上，而另一个则可以被送到十几英里外的brookhaven国家实验室的探测器上。不同的距离会导致两个光子的到达时间稍微不同步，从而破坏它们的纠缠。为了防止这种情况发生，Figueroa必须找到一种方法来协调各方的到达时间，精确到亚纳秒。
但怎么做呢？其他量子实验室将他们呆在家里的光子冻结到接近绝对零度，以此来踩刹车。相比之下，Figueroa的创新在室温下就能工作：一个一英寸长的玻璃管，里面有数万亿铷原子的雾气。第一天早上，当我参观Figueroa的实验室时，他把其中一根管子放在我手里。
“这是什么？” 我问他。
他笑着说：“量子记忆。”
Figueroa告诉我，早在他攻读德国康斯坦茨大学博士学位时，他就曾问过教授，是否可以建立一个在室温下工作的系统，而不需要昂贵、复杂的冷冻机。
“我不认为可能。”有人告诉他。“但你可以证明我错了。”
于是，他就这么做了。通过将光子从一系列精心放置的镜子上弹射出去，并用激光网络轰击铷原子的雾气，Figueroa发现，他可以调整纠缠光子的波长，以广播铷雾中的电子可以接收的信号。瞧! 光子的纠缠状态被瞬间转移到整个原子云中。几分之一纳秒后，纠缠的光子继续前进，与它的孪生子在同一时刻到达探测器。
令人难以置信的是，自2012年完成博士学位以来，Figueroa已经将整个容纳量子记忆的系统微型化，变成了一个比随身行李箱还小的便携式设备，小到可以安装在数据中心的普通计算机服务器机架上，如果量子互联网要成为主流，这是一项至关重要的创新。正如他的同事和合作者Dimitrios Katramatos当天晚些时候告诉我的那样。“它们是便携式的，对吧？所以，有一天我们把它们中的一些装在一辆货车上，从石溪带到布鲁克海文。”
“他开着他妻子的面包车。”Figueroa笑着说。“从那时起，我们就把它叫做量子面包车。”
纠缠交换
然而，另一个问题依然存在，无论是Figueroa还是Katramatos（或者世界上任何其他量子工程师）至今都没有完全想通：如何通过光缆成功地传输量子纠缠的光子，因为60英里左右就会出现障碍，光子会无意中与电缆、其外壳甚至地面上的光线相互作用，从而破坏其纠缠。
Figueroa解释说，提出的解决方案是一种叫做“纠缠交换”的东西。全世界的量子工程师都在争先恐后地将这个概念应用到工作原型上。
“这个想法到现在已经有20年了。”哈佛大学著名量子理论家和实验家米哈Mikhail Lukin说。“到现在为止，还没有人成功地制造出一个能够用于实际应用的。据我所知，这就是Figueroa的小组要做的事情。”
为了解释他的计划，Figueroa把我领进一间小会议室，在那里，他把所有的计划都画在白板上。
“让我给你看一些非常酷的东西。”他说。
他解释说，与其只创建一对纠缠光子并试图将其发送到100英里以外的实验室，不如在位于25英里和75英里处的两个不同分站创建第二组纠缠对。这些分站将把一对光子中的一个光子射向对方，另一个射向两个实验室中最近的一个。当两对光子中的每一对光子在50英里处相遇时，它们将发生纠缠，自动纠缠远处实验室中的其他剩余光子。一旦这种纠缠被共享，Figueroa 想要发送的信息就可以被传送到100英里外的实验室，克服障碍。
“你看到了吗？”他充满魅力的语气说。“很简单。”
量子未来
如果传送的不仅仅是信息，不仅仅是消息，还包括粒子、分子、细胞甚至柯克船长呢？当1997年12月报道了第一个纠缠的实验演示时，IbM物理学家Charles H. bennett告诉《纽约时报》。“即使在细菌这样的小东西上也完全不可行” (应该指出的是，bennett在四年前就创造了量子传送一词，所以你会认为他是正确的)。
但21年后的2018年秋天，牛津大学的研究人员报告了正是bennett所说的“完全不可行”：活的细菌与光子的纠缠。然而，并不是所有的物理学家都被这一发现所说服，因为它们是基于牛津团队对另一个小组实验的分析。但是，没有人知道量子革命会走多远，当然Figueroa也不知道。
“这些设备会做的很多事情，我们还在努力想办法。”他告诉我。“目前，我们只是试图创造出能用的技术。真正远大的可能性还有待发现。”
在离开他之前，我问Figueroa，他的朋友、家人和邻居是如何试图理解他的神秘工作的。他给我讲了一个关于他岳父的故事。当Figueroa在德国进行博士后研究的时候，他妻子的父亲前来拜访。在带他参观了两个小时的实验室后，Figueroa问他对这一切有什么看法。
“你在里面说的话我一句也没听懂。”他岳父说，“但我知道这是我见过的最神奇的东西。”
我也是感同身受。这就是我在拜访Figueroa之前的感觉，通过电话反复询问他，阅读他的论文，标题很夸张，比如“一种单原子量子记忆 ”和 “挤压光的量子记忆”。但在这一切之后，整个事情对我来说开始变得有意义了。我希望你现在也能明白，或多或少吧。
（译者：蒂克伟）
