光子盒研究院

现在，一个利用量子“纠缠”在遥远的用户之间编织亲密联系的全球网络正在开始形成。

——田纳西州的这个城市曾推出美国第一个全市范围的千兆比特互联网服务。现在，它将推出全美第一个商业化的量子网络。

2010年，查塔努加市因“成为美国第一个提供市级千兆速度光纤互联网的城市”而成为头条新闻——这比谷歌光纤开始为美国城市提供自己的千兆服务还要早几年；为此，查塔努加市赢得了“千兆城市”的绰号。最近，在2022年8月，该市开始提供每秒25千兆比特速度的互联网服务，这比宽带的最低要求快1000多倍、每月收取1500美元。

查塔努加市的量子网络将是美国第一个商业化的选择。

查塔努加市的量子网络将于2023年7月底开放。

预计到2023年7月底，田纳西州的查塔努加市将开通全国第一个商业化的量子网络。如果一切按计划进行，该市将处于量子这项新技术的前沿，该技术可以使新时代的计算机有能力快速解决化学、金融和健康等领域的复杂问题。

这种网络的最终目标之一是允许多方利用光子的量子特性交换信息，使数据的传输速度超快——快到几乎不可能被拦截。这可能会对未来的网络安全和强大而安全的量子互联网的发展产生重大影响：这正是美国政府“开创通信新时代”的目标的关键。

Tim Kelly

量子技术离实现这些承诺还有很长的路要走，但该市及其合作伙伴认为这是一个值得下的赌注。市长Tim Kelly表示，这个耗资450万美元的网络正在由总部位于加利福尼亚州的Qubitekk公司开发、并将由该市的公用事业供应商EPB运营，它将“再次将查塔努加定位为一个新兴领域的创新领导者，这在未来几个月和几年内对我们的国家经济至关重要。”

据市长Kelly说，该市的网络将允许同时存在10个用户。Marston预计该项目将在五年内收回其初始投资，“我们正在寻找的回报不仅仅是在资金方面，也是在创造就业机会和更广泛的社区利益方面。”他表示，从长远来看，该网络可以支持“量子生态”的发展，以在一个已经获得数十亿美元投资的新兴领域创造就业机会并促进劳动力发展。

J.Ed Marston

EPB战略沟通副总裁J.Ed Marston表示，建立一个量子网络可以为大学和公司提供一个“沙盒(sandbox)”，以测试和开发涉及量子技术的新设备和应用，从而促进查塔努加本身的经济。

“对于研究人员来说，建立自己的网络成本太高，也太费时。该网络真正代表了一个合作的平台，将技术带出实验室并在现实世界中运行。”

但问题来了：量子计算机在四十年前就被提出，但尚未对世界产生任何真正的影响；但与此同时，量子信息学界已经在努力研究超越单个量子计算机的下一步：一个可以连接它们一起工作的互联网。

与经典网络相反，量子网络使用量子现象：如叠加、无克隆和纠缠。光子或离子（量子网络中的量子比特）存在于其所有可能的量子状态的叠加中，在被测量之前，每一个都有相应的概率；测量过程中，这些状态中的一个被选中。试图测量光子的量子状态会受到它们所引起的噪声干扰，从而导致这样一种情况：如果量子网络以正确的方式设计和控制，那么量子力学的性质保证了它的内在安全性。

当Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger因其纠缠光子的实验和证明贝尔不等式被违反而共同获得2022年诺贝尔物理学奖时，这也引起了人们对量子纠缠——量子网络的关键特征之一，以及其潜在应用的更多兴趣。

这种类型的网络可以提高安全性，也可以实现新的通信任务，如生成共享的加密密钥、计算硬件的进步可以增加公钥密码学的效用并对其进行补充。由于量子网络的存在，客户还可以在云端访问第三方量子计算机、在不影响其机密数据或珍贵代码的情况下简化计算。

例如，客户现在已经可以在互联网上与大量的实验性量子计算机沟通：亚马逊的AWS Braket允许在不同的量子处理器（D-Wave、IonQ或Rigetti）上构建和测试量子算法或使用模拟器；微软在Azure上做了类似的事情；IBM也让用户玩一个五量子比特的量子系统。

工作完成了吗？嗯，没有。

分享孤立的量子计算机的输出是一回事；将量子计算机连接起来是另一回事。那么，为什么要把量子计算机连接起来呢？

——“很难建造足够大的量子计算机来解决真正的大问题。”互联网的创始人之一Vint Cerf回答了这个问题。

Vint Cerf

量子世界会产生错误：所以，科学家需要大量的物理量子比特来制造数量少得多的逻辑量子比特——因为纠错需要大量的物理量子比特。这也意味着，我们实际上确实需要使我们的量子计算机更大。

但我们想把“活”的量子比特联系起来，而不仅仅是分享量子计算机的输出。也就是说，科学家想在不坍塌波函数的情况下分配该计算机的内部状态：这意味着分配纠缠。量子互联网意味着采取量子效应并将它们分布在一个网络上，这被非常复杂，但也有可能非常强大。

Cerf说：“量子计算机的扩展是通过纠缠的分配来促进的。从理论上讲，如果你能将纠缠分布到更多不同的量子机上，就能制造一个更大的量子系统。”

在这个阶段，这一切可能听起来太复杂了。为什么要这样做？

Kozlowski教授说明了量子互联网不是什么：“它的目的不是要取代经典互联网。因为，就像量子计算机不会取代经典计算机一样，某些事情已经做得相当好了，而没有必要用量子来取代它。”

一个衍生品可能是对经典网络的改进。“在我看来，我们应该利用这个机会来改进经典控制协议的OSI模型的某些方面。”

“例如，目前互联网的问题之一是控制平面的安全。而我认为，如果做一个重新设计，这是一个很好的机会以在控制平面中建立更多的安全机制、提高系统的稳健性。显然，几十年来，互联网在几乎在所有可以想象的方面都做得很好；但仍有一点可以改进，那就是控制平面的安全性。”

存在量子密钥分发等其他量子密码学基元，可以提供诸如更好的认证、更安全的链接；时间上的改进也可以带来好处，包括创建更长的基线射电望远镜，以及其他巨大的行星仪器。

代尔夫特QuTech的Wojciech Kozlowski

最大的回报可能是分布式量子计算，但Kozlowski提出了一个警告：“目前，我们还没有100%清楚如何进行计算。我们必须首先弄清楚我们如何在一万台计算机上进行计算，而不是在一台大计算机上。”

但是其他学者例如Steve Brierley，则希望看到大型的、实用的量子计算机，可以使高性能计算（HPC）远远超出其目前令人瞩目的成就。“由于今天的HPC系统，我们可以用流体动力学来设计大型部件(例如飞机)。我们有一个基础物理模型，我们用HPC来解决这些方程。”

——如果量子计算机达到工业规模，它们可以为其他部门（比如医学）带来同样的效果。

创造一种药物意味着找到一种化学物质，由于其形状和电学特性而锁定在蛋白质上的一个特定部位。但是预测这些相互作用意味着要解决运动中的原子的方程式。“量子力学告诉我们分子和蛋白质、原子和电子将如何随时间移动。但是我们没有算力来解决这些方程。正如理查德·费曼所说，‘我们永远不会有，除非我们建立一个量子计算机’。”

一台能够发明任何新药的量子计算机将非常值得努力，当然，为了达到这个目的，听起来我们实际上需要的是一个分布式量子计算机——而为此，我们需要量子互联网。

谷歌等科技公司和世界各地的大学正致力于相关研究。

具体来说，欧洲有量子互联网联盟（由包括QuTech在内的多所大学和机构组成）、美国有Q-Next（美国国家量子信息科学计划），由芝加哥大学教授David Awschalom领导。

美国能源部也认为这个问题很重要，他们可以提供资金、以支持Q-Next主要合作伙伴阿贡国家实验室的项目。目前，Q-Next已经在52英里的光纤链路上共享了量子状态——这一技术已经成为未来可能的国家量子互联网的核心。

欧洲的QIA也取得了一些成功。包括在QuTech量子信息研究所创建了第一个连接三个量子处理器的网络，其量子信息通过一个中间节点传递；另一个QIA成员是马克斯·普朗克研究所，他们成功用一个光子分享了量子信息。

有了这么多工作，我们开始看到了量子互联网的开始。但除了技术上的困难外，还有另一个危险：所有这些机构可能会创建几个不兼容的量子互联网。

如果我们要有一个量子互联网，我们将需要一个RFC（征求意见稿），以规定量子计算机如何通信。因此，在互联网研究任务组（IRTF）内部的量子互联网研究小组（QIRG）文件《量子互联网的架构原则》定义了一个统一概念：“正是量子比特的传输划清了真正的量子网络和通过经典网络连接的量子计算机集合之间的界限。量子网络被定义为一个能够交换量子比特并在它们之间分配纠缠状态的节点集合。”

2020年底，Kozlowski与代尔夫特的同事共同撰写了一篇论文，提出了一个量子互联网协议——这开创了一个重要的先例。

代尔夫特大学的量子计算研究所QuTech有一个通往量子互联网的路线图。

阿贡的科学家们也同意这些代尔夫特的建议，“量子互联网协议栈应该是什么样子的？很可能它将在某种程度上类似于OSI模型：将会有几层、最低层协议的某些部分将必须控制硬件。”像Kozlowski一样，他认为下层将管理中继器节点中的光子探测器和量子存储器。

因此，现阶段几乎没有技术分歧的危险。

将此付诸实践带来了下一组问题：分布纠缠依赖于光子（光的粒子），量子互联网研究人员将其称为“飞行量子比特”，以与最终系统中的静止量子比特（称为“物质量子比特”）形成对比。

但是在量子尺度上工作却带来了很多困难：经典网络上发送的一个比特将是一个光的爆发，包含数百万个光子；在量子世界里，科学家必须用一个光子来编码一个量子状态。如果这个单一的光子丢失了，我们就失去了其中的信息。

另外，网络需要知道飞行量子比特是否已经成功发射。这意味着知道纠缠是否已经实现，这一步需要量子先驱们所说的“预示性纠缠生成方案”。

在光纤上使用单光子工作是有限制的：超过几公里，就不可能了。因此，量子互联网研究人员想出了“纠缠互换”。一系列量子中继器被建立起来，这样一对光子的远端可以被反复传送，直到到达目的地；这仍然不完美，拷贝的保真度下降，所以要使用多个量子比特，并在量子纠错过程中进行“提炼”。大多数专家认为，真正的量子中继器还需要数年时间。

在物理学家努力完善中继器的同时，他们正在竞相链接单个大都市区内的站点：这些站点不需要中继器。

- 美国波士顿、洛杉矶和华盛顿特区正在建设雏形量子网络，两个网络将把阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室与芝加哥地区的几所大学连接起来；

- 代尔夫特理工大学的研究人员希望将他们创纪录的纠缠扩展到荷兰海牙的一个商业电信设施；

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其他刚刚起步的网络正在欧洲和亚洲发展，最终目标是使用中继器将这些小型网络连接成一个洲际互联网。

终端节点将更加复杂。量子中继器必须产生纠缠，并做一些纠缠交换的工作。终端节点则必须有良好的容量、可以容纳量子比特的量子存储器，并能实际执行本地处理指令和操作。除了产生纠缠之外，人们还需要在上面执行一个应用程序。

在更大的范围内，量子网络有一个世俗的实际需求——快速运行；量子存储器的寿命会很短，因为一个量子比特只能持续到它能与环境隔离的时间。

网络化的量子系统也必须以足够快的速度产生成对的贝尔态，以便在存储的量子比特衰变之前完成工作。但制造纠缠对的过程仍然很慢；在该技术得到改善之前，量子网络系统取得的成果会更少，它们被分离得会越远。除此之外，长距离的量子网络将产生延迟：这将限制可以做的事情，因为量子数据的存储时间非常短。

由于这些技术实现上的困难，量子互联网正从本地开始、在小得多的网络中找到实际用途。对于那些实验室里的研究人员来说，Kozlowski表示，“这项工作‘真的很复杂’，每个人都在挑战极限，但当你想把它与经典互联网的规模和范围相比较时，它仍然是基础。”

- 苏黎世ETH大学的Andreas Wallraff教授用一个实际的管道在两个制冷机之间发送微波信号；

- 马克斯-普朗克研究所展示了量子隐形传态，将量子信息从一个量子比特传送到50米外的实验室；

- 2003年，美国BBNTechnologies、波士顿大学和哈佛大学的科研团队在国防高级研究计划局的赞助下建立了世界上第一个量子通信网络；

- QuTech的Stephanie Wehner教授展示了一个“链接层”协议，它在底层量子网络上提供可靠的链接；而QuTech也已经展示了一个量子网络，其中两个节点通过一个中间中继器连接

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目前，中国在这方面取得了最大的进展。2016年，中国发射了量子通信卫星“墨子号”，与两个2600公里远的地面站实现了QKD；一年后，北京和上海之间的QKD光纤网络已经完成建设。2021年，在700多根光纤和两个地面到卫星链路的帮助下，中国科大的潘建伟、陈宇翱和彭承志领导团队开发了世界上第一个综合量子通信网络，将量子密钥分发在4600公里的距离上。此外，该团队使用双场QKD（TF-QKD）技术，使地面QKD的距离超过了1000公里。

2023年3月，潘建伟再次成为新闻人物，他接受采访时谈到中国利用中低地球轨道的卫星开发量子通信网络。“我们正在与国家空间科学中心合作，开发中高地球轨道卫星。未来，高轨道卫星和低地球轨道卫星的组合将建立一个广域量子通信网络。”

西方也在研究基于卫星的量子技术加密网络，欧洲航天局（ESA）正在开发一个量子通信网络。

各国也在进行合作：美国、英国、日本、加拿大、意大利、比利时和奥地利在2021年签署了联合量子系统（Federated Quantum System, FQS）协议，商业伙伴包括英国电信、Northrop Grumman、日本住友投资公司、意大利技术集团莱昂纳多和奥地利量子技术初创公司QTL。

由于纠缠生成和中继器的不完善，以及长纤维上的单光子最终会丢失，使量子网络扩展到长距离将是困难的。

不过，学者们普遍认为，长距离的量子计算即将到来：近期会发生的是连接不同城市的量子计算机，或者在真正非常遥远的不同地方：QuTech的科学家估计，基于纠缠的实用量子网络可能在10到15年内存在。未来，不同的量子中继器应该一起工作，不同种类的量子计算机应该都能够使用网络。

量子网络及其核心组成部分的示意图

事情的发展方向是，数据的传输和我们接收数据的方式将被量子网络所改变。尽管量子网络的运行方式不同，但它们的结构将与经典网络相似，由带有（量子）处理器的节点、光纤线路和量子开关组成，将流量导向适当的节点。

金融机构、国防工业的制造商和供应商\非政府组织、大型技术公司和电信公司将是第一批拥有和运营量子网络的人——这些商业服务的早期采用者将是拥有充足预算和高保密性要求的组织。

可悲的是，犯罪组织和恐怖分子也将利用量子网络达到他们自己的恶意目的。

代尔夫特大学团队曾表示，“随着时间的推移，量子网络将发展成为一个具有更高带宽的全面量子互联网。商业量子通信服务将变得更加广泛和实惠，我们将拥有一个与经典互联网共存的量子互联网。”

总之，量子互联网拥有巨大的潜力来改变我们的通信和信息安全方式，提供前所未有的速度、安全和计算能力。然而，在这一尖端技术的发展和实施中仍然存在重大挑战：包括需要克服退相干、开发兼容的硬件和基础设施，以及将量子系统与现有网络整合。

随着研究人员继续探索应对这些挑战的创新解决方案，我们相信，量子互联网的承诺将越来越接近现实。

参考链接：

[1]https://www.bloomberg.com/news/articles/2023-06-13/chattanooga-to-open-first-commercial-quantum-network-in-july

[2]https://www.datacenterdynamics.com/en/analysis/why-do-we-need-a-quantum-internet/

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/SyR4fFjOjHpRQVuQCQyKXQ

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/FTDzSL_Sojne9IVxwtyjDQ

[5]https://thequantuminsider.com/2023/06/08/exploring-quantum-networks-an-overview-of-how-they-function/

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/science.372.6546.1026

[7]https://arxiv.org/pdf/2212.01226.pdf