我们离量子互联网越来越近了，但它究竟是什么？

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未来的量子互联网将利用量子信息中的量子比特，其可呈现无限多种值。图片来源：千野雄一郎 / 盖蒂图片社

早在2020年2月，美国能源部阿贡国家实验室与芝加哥大学的科学家就宣布，他们在位于芝加哥郊区的一个52英里（83.7公里）长的量子环网络中实现了量子纠缠——即一对微小粒子的行为相互关联，使其状态完全一致。

如果你不是熟悉量子力学的科学家，你可能想知道这是怎么回事——为什么物质和能量在现实的最小尺度上的这些行为与我们身边看到的世界截然不同。

但是研究人员的这项成就，可能成为未来几十年开发新一代、更强大互联网的重要一步。与当今网络使用的只能表示0或1的比特不同，未来的量子互联网将利用量子信息中的量子比特，它可以呈现无限多种值。（量子比特是量子计算机的信息单位，相当于经典计算机中的比特）。

这将使量子互联网获得更多的带宽，从而能够连接超强量子计算机及其他设备，运行大规模的应用程序——这些在现有互联网条件下是根本无法实现的。

“量子互联网将成为量子生态系统的平台，在这个平台上，计算机、网络和传感器将以一种全新的方式交换信息，传感、通信和计算将真正作为一个整体协同运作”，戴维·奥沙洛姆(David Awschalom)通过电子邮件解释道。他是芝加哥大学普利兹克分子工程学院的自旋电子学与量子信息学教授，同时也是阿贡国家实验室的高级科学家，并领导了量子环项目。

量子互联网的阐释

那么我们为何需要它？它又能做什么？首先，量子互联网并非要取代我们现在拥有的常规互联网，而是作为其补充或分支存在。它能够解决困扰当前互联网的诸多问题。例如，量子互联网能提供更强大的防护能力，抵御黑客和网络犯罪分子的攻击。比方现在，当纽约的爱丽丝通过互联网向加州的鲍勃发送消息时，该信息基本沿着海岸线呈直线传输。传输过程中，承载信息的信号会逐渐衰减；中继器会读取信号，进行放大并修正错误。但这个过程恰恰为黑客提供了“入侵”并截获信息的契机。

量子通信的加密方式相较于传统加密方式更加安全。图片来源：pixabay

然而，量子信息则不会存在此类问题。量子网络利用光子传递信息，这些信息不受网络攻击威胁。洛斯阿拉莫斯国家实验室研究员雷·纽厄尔(Ray Newell)表示，与使用数学复杂性来加密信息不同，量子通信依赖于量子物理学的特殊规则。“对于量子信息，你无法复制它或将其切成两半，甚至无法在不更改它的情况下查看它。”事实上，正如《连线(Wired)》杂志所言，仅是试图截获信息的行为就会破坏信息本身。这种加密技术将比当今现有的任何方案都要安全得多。

路易斯安那州立大学巴吞鲁日分校的研究员苏米特·卡特里(Sumeet Khatri)在一封邮件中表示：“理解量子互联网概念最简单的方法就是通过理解量子隐形传态的概念。”他与同事们撰写了一篇关于天基量子互联网可行性的论文，正如《技术评论(Technology Review)》这篇文章所述，该方案中卫星将持续向地球表面发射纠缠光子。

“量子隐形传态与普通人根据科幻电影所想象的场景完全不同，”卡特里解释道，“在量子隐形传态中，两个想要通信的人共享一对纠缠的量子粒子。通过一系列操作，发送者可以向接收者发送任何量子信息（人们常误解这样的通讯可以超过光速，但实际上并不会）。全球范围内成对个体间共享的量子纠缠集合，本质上构成了量子互联网。研究的核心问题在于如何以最佳方式将这些纠缠对分发给分布在世界各地的人们。”

全球范围内成对个体间共享的量子纠缠集合，本质上构成了量子互联网。图片来源：pixabay

据《宇宙(Cosmos)》杂志报道，一旦能够大规模实现，量子互联网的速度将快得惊人，以至于使远距离时钟的同步精度比当今最先进的原子钟还要好约一千倍。这将使GPS导航比今天精确得多，并能绘制出极其精细的地球引力场图，使科学家得以观测引力波的涟漪。该技术还能实现远距离传送来自全球各地可见光望远镜的光子，并连接成一个巨型虚拟天文台。

“你可能会看到围绕其他恒星运行的行星，”橡树岭国家实验室量子信息科学组组长尼古拉斯·彼得斯(Nicholas Peters)说。

全球超强量子计算机网络也有可能协同工作并创建极其复杂的模拟。例如，这可能使研究人员能够更好地了解分子和蛋白质的行为，并开发和测试新药物。

它还可能帮助物理学家破解一些现实中长期存在的未解之谜。纽厄尔表示：“我们尚未完全理解宇宙的运作规律。虽然我们对量子力学原理已有相当深入的认识，但对其影响没有非常清晰的了解。在量子力学与我们的生活经验相交的地方，情况就很模糊了。”

我们对量子力学原理认识较深，但对其影响了解不清晰。图片来源：pixabay

构建量子互联网面临的挑战

但在这一切成为现实之前，研究人员必须先弄清楚如何构建量子互联网，而考虑到量子力学的奇异特性，这并不容易。“在经典世界中，你可以编码信息并保存它，它不会衰减，”彼得斯说，“但在量子世界里，你编码信息后，它几乎立刻就开始衰减。”

另一个问题在于，由于量子信息对应的能量极低，很难阻止其与外界发生相互作用。纽厄尔指出：“如今，在许多情况下，量子系统往往只能在极低温度下运行。另一种方案是在将所有空气抽离的真空环境中工作。”

纽厄尔指出，要使量子互联网投入运行，我们需要各种尚未开发的硬件设备。因此目前很难准确预测量子互联网何时能够正式运行，不过有位中国科学家设想，这一目标最早可能在2030年实现。

作者：Patrick J. Kiger

翻译：zzz

审校：姬子隰

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编辑：姬子隰

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