今天的互联网是黑客的乐园。从不安全的通信连接到云中的数据保护不足，漏洞无处不在。但是，如果量子物理学家们有他们自己的方法，这些弱点很快就会消失。他们想要建立一个量子网络，在这个网络中，信息的创建、存储和移动都以一种反映量子世界奇异行为的方式进行。从“经典”网络的诸多限制中解放出来，这些系统可以提供一定程度的隐私、安全和计算能力，这在今天的互联网上是不可能实现的。
尽管完全实现量子网络仍是一个遥远的愿景，但最近在传输、存储和操纵量子信息方面取得的突破，已使一些物理学家相信，一个简单的原理验证迫在眉睫。从帮助光子改变颜色的钻石和晶体中的缺陷，到充当幽灵网络节点的无人机，研究人员正在利用各种奇异材料和技术进行量子探索。许多人说，第一阶段将是使用标准光纤连接三个至少相距50至公里的小型量子设备的量子网络。
这样的网络可能在未来五年内建成。兰宁的团队是欧洲量子互联网联盟的成员，该联盟的任务是创建一个量子网络。欧洲正在与中国和美国进行类似的努力。中国于年发射了量子通信卫星“墨子号”。去年12月，美国政府颁布了《国家量子倡议法》，该法案将慷慨地资助多个致力于量子技术的研究中心，包括量子计算机和网络。荷兰代尔夫特理工大学的罗纳德汉森表示：“量子网络的主要特点是，你发送的是量子信息，而不是经典信息。”经典信息处理的比特值不是0就是1。然而，量子信息使用量子位，它们可以同时处于0和1的叠加位置。量子位元可以编码，例如，在光子的偏振态中，或者在电子和原子核的自旋态中。
量子网络
在汉森所称的量子网络中，量子位元已经被用来创建密钥——0和1的随机字符串——然后可以用来编码经典信息，这是一个称为量子密钥分发(QKD)的应用程序。
QKD涉及到一方，比如Alice，将量子位发送给Bob,Bob测量量子位(Alice和Bob首次出现在年关于量子密码学的论文中，现在已经成为量子网络中节点的占位符)。只有在特定类型的测量中，Bob才会得到与Alice在量子位元中编码的相同的值。Alice和Bob可以通过一个公共通道比较注释，以确定这些度量值是什么，而不需要共享量子位值。然后，它们可以使用这些私有值创建一个秘密共享密钥来加密经典消息。至关重要的是，如果入侵者拦截了量子位元，Alice和Bob就能探测到入侵，丢弃量子位元，然后开始——理论上一直持续到没有人窃听量子通道为止。
去年7月，使用量子密钥分发密钥的速度达到了创纪录的每秒6.5千比特，使用的光纤长度超过公里。相比之下的商用系统，比如总部位于日内瓦的公司销售的系统，可以提供超过50公里的QKD光纤。
理想情况下，量子网络将比QKD做得更多。下一步将是直接在节点之间传输量子态。虽然使用光子偏振编码的量子位元可以通过光纤发送(就像QKD所做的那样)，但是使用这样的量子位元来传输大量的量子信息是有问题的。光子可能在传输过程中被散射或吸收，也可能只是无法在探测器中注册，导致传输通道不可靠。幸运的是，有一种更可靠的方法来交换量子信息——通过使用量子系统的另一个特性，称为纠缠。
当两个粒子或量子系统相互作用时，它们会相互纠缠。一旦纠缠，两个系统都用一个量子态来描述，所以测量一个系统的状态会立即影响另一个系统的状态，即使它们相距几公里。爱因斯坦把纠缠称为“远距离的幽灵行为”，它是量子网络的宝贵资源。想象两个网络节点，Alice和Bob，每个节点由一些孤立的物质组成(编码和存储量子态的最明显和最可靠的基板)。这种“物质节点”可以通过一个包含纠缠光子交换的过程相互纠缠。
使用纠缠的物质节点，Alice可以利用她的纠缠向Bob发送一个完整的量子位元，而不需要实际传输一个物理量子位元，这使得传输简单而安全。这里的关键是，一旦节点之间建立了纠缠，将量子位元从Alice传输到Bob的协议就是确定的。但是要在长距离的情况下做到这一点，首先需要分配纠缠——通常是通过标准的光纤网络。今年1月，兰宁在因斯布鲁克的团队报告说，他们创造了50多公里长的光纤在物质和光之间产生纠缠的记录。
对于物质，兰宁的研究小组使用了一种所谓的“捕获离子”——一种利用电磁场被限制在光学腔内的单个钙离子。当用激光操作时，离子最终将量子比特编码为两种能量状态的叠加，同时还发射出光子，量子比特编码为偏振状态。离子和光子中的量子位元纠缠在一起。任务是：通过光纤发送光子，同时保持纠缠。
不幸的是，被捕获的离子发出的光子波长为纳米，这在光纤中不会持续很长时间。因此，兰宁的团队将发射出的光子发射到一种叫做非线性晶体的东西中，然后用强大的激光泵浦。整个相互作用将入射光子转换成另一种“电信”波长，这种波长非常适合光纤。因斯布鲁克研究小组随后将光子注入一段50公里长的光纤中。一旦到达另一端，他们测试了离子和光子，看它们是否仍然纠缠在一起。他们。
交换纠缠
兰宁的团队现在想要纠缠两个相距公里的量子节点。每个节点将通过50公里长的光纤将一个纠缠光子传输到中间的一个站。在那里，光子的测量方式是这样的：它们失去了与各自量子的纠缠，导致量子彼此纠缠。因此，这两个相距公里的节点将通过一对纠缠的量子位元形成量子链。整个过程叫做纠缠交换。尽管目前效率相对较低，但这是开发更好、更快的交换系统的“良好开端”。
与此同时，汉森在代尔夫特的团队演示了如何用远程波长光子纠缠不同类型的物质节点。他们使用了金刚石中的一种缺陷，称为氮空位(NV)中心。当一个氮原子取代了宝石晶体结构中的一个碳原子，在靠近氮原子的晶格中留下一个空位时，缺陷就产生了。研究小组使用激光来控制钻石NV中心的一个“自由”电子的自旋，将电子置于自旋态的叠加中，从而编码一个量子位元。这个过程也导致光子的发射。光子处于叠加状态，在两个连续的时隙中发射。汉森说：“光子总是在那里，但在一个叠加的发射早或晚。”存储在电子自旋中的量子位元和存储在光子存在或不在时隙中的量子位元现在纠缠在一起。
年，代尔夫特团队放置了两个由钻石NV中心构成的空间分离的物质节点，它们相距约1.3公里，由光纤连接。然后，研究小组将一个纠缠光子从每个节点传输到这两个节点之间路径上的一个大约中间点。在那里，研究小组交换了纠缠，导致两个NV中心纠缠在一起。但是，就像兰宁的实验一样，代尔夫特团队的仪器发出的光子的波长为纳米。当这些光子被注入到光纤中时，每走一公里，它们的强度就会降低一个数量级。这使得它不可能超过几公里。
因此，代尔夫特研究小组报告了一种类似因斯布鲁克研究小组开发的补救方法，也使用非线性晶体和激光将光子转换成电信波长。在这种方法中，由NV中心编码的量子位元与远程波长光子保持纠缠，为两个金刚石NV中心节点之间的纠缠交换奠定了基础。
尽管他们还没有通过任何长度的光纤传输一个钻石纠缠的远程波长光子，Hanson相信他们可以做到，然后使用纠缠交换将钻石NV中心缠绕在30公里之外。他们的下一个目标是利用荷兰三个城市之间现有的光纤基础设施，将节点缠结在一起。在荷兰，可以接受这种最先进的实验。
未来的挑战
因斯布鲁克和代尔夫特的研究小组都只研究一种物质来存储和纠缠量子位元。但现实生活中的量子网络可能在每个节点上使用不同类型的材料，这取决于手头的具体任务——例如量子计算或量子传感。量子节点，除了操纵量子位元之外，可能还必须将它们存储在所谓的量子存储器中，时间很短。
为此，他和他的同事最近展示了如何将存储在两种不同材料中的量子位元缠结在一起。他们从一个发出一对纠缠光子的光源开始，一个波长为纳米，另一个波长为纳米。纳米光子与掺铥的锂铌酸盐晶体相互作用，使光子的状态存储在晶体中。纳米的光子进入掺铒光纤，光纤也存储量子态。这两种记忆都被设计成在特定时间重新发射光子。研究小组分析了这些重新发射的光子，发现它们仍然纠缠在一起。反过来，这也意味着量子记忆在发射光子之前就已经纠缠在一起了，从而在一段时间内保持纠缠状态。
光子波长也被设计用来交叉连接不同的传输系统：一端是光纤(nm)，另一端是卫星通信(nm)。后者很重要，因为如果量子网络要走向洲际，纠缠将需要通过卫星来分布。年，由中国科学技术大学潘建伟领导的团队利用中国量子卫星“墨子”)在青藏高原地面站和西南地区地面站之间分配纠缠。
光子波长也被设计用来交叉连接不同的传输系统：一端是光纤(nm)，另一端是卫星通信(nm)。后者很重要，因为如果量子网络要走向洲际，纠缠将需要通过卫星来分布。年，由中国科学技术大学潘建伟领导的团队利用中国量子卫星“墨子”)在青藏高原地面站和西南地区地面站之间分配纠缠。
在迈向全面运作的量子网络的过程中，挑战依然存在。可靠的量子存储器就是其中之一。另一个重要的缺失部分是使用所谓的量子中继器将量子链路扩展到任意长距离的能力。量子态不能像经典信息那样简单地复制。量子节点将需要复杂的量子逻辑门，以确保在与环境相互作用造成损失的情况下仍然保持纠缠。兰宁表示：“这肯定是下一个重大挑战之一。”
尽管如此，建立一个量子网络的基本要素已经就位，这个网络至少可以连接三个城市，或许最终可以连接整个世界。汉森说：“我们现在有了平台，可以第一次探索真正的量子网络。”更复杂的网络正在召唤我们。“没有保证。如果我们成功了，我们就能做一些很酷的事情。”
“量子纠缠”把时间和空间连成一个整体！
量子理论：传送、延迟和纠缠的奇异世界