量子卫星技术原理_量子卫星对黑客
文章栏目:
量子密码的诞生是不是就意味着黑客的末日？
量子密码术用我们当前的物理学知识来开发不能被破获的密码系统，即如果不了解发送者和接受者的信息，该系统就完全安全。单词量子本身的意思是指物质和能量的最小微粒的最基本的行为：量子理论可以解释存在的任何事物，没有东西跟它相违背。量子密码术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是数学。实质上，量子密码术是基于单个光子的应用和它们固有的量子属性开发的不可破解的密码系统，因为在不干扰系统的情况下无法测定该系统的量子状态。理论上其他微粒也可以用，只是光子具有所有需要的品质，它们的行为相对较好理解，同时又是最有前途的高带宽通讯介质光纤电缆的信息载体。
【量子密码术理论上如何工作】
理论上，量子密码术工作在以下模式（这个观点是由Bennett和Brassard于1984年开发的传统模式，其他的模式也存在）：
假设两个人想安全地交换信息，命名为Alice和Bob。Alice通过发送给Bob一个键来初始化信息，这个键可能就是加密数据信息的模式。是一个随意的位序列，用某种类型模式发送，可以认为两个不同的初始值表示一个特定的二进制位（0或1）。
我们暂且认为这个键值是在一个方向上传输的光子流，每一个光子微粒表示一个单个的数据位（0或1）。除了直线运行外，所有光子也以某种方式进行振动。这些振动沿任意轴在360度的空间进行着，为简单起见（至少在量子密码术中可简化问题），我们把这些振动分为4组特定的状态，即上、下，左、右，左上、右下和右上、左下，振动角度就沿光子的两极。现在我们为这个综合体加入一个偏光器，偏光器是一种简单的过滤器，它允许处于某种振动状态的原子毫无改变的通过，令其他的原子改变震动状态后通过（它也能彻底阻塞光子通过，但我们在这里将忽略这一属性）。Alice有一个偏光器允许处于这四种状态的光子通过，实际上，她可以选择沿直线（上、下，左、右）或对角线（左上、右下，右上、左下）进行过滤。
Alice在直线和对角线之间转换她的振动模式来过滤随意传输的单个光子。这样时，就用两种振动模式中的一种表示一个单独的位，1或0。
当接受到光子时，Bob必须用直线或对角线的偏光镜来测量每一个光子位。他可能选择正确的偏光角度，也可能出错。由于Alice选择偏光器时非常随意，那么当选择错误的偏光器后光子会如何反应呢？
Heisenberg不确定原理指出，我们不能确定每一个单独的光子会怎样，因为测量它的行为时我们改变了它的属性（如果我们想测量一个系统的两个属性，测量一个的同时排除了我们对另外一个量化的权利）。然而，我们可以估计这一组发生了什么。当Bob用直线侧光器测量左上/右下和右上/左下（对角）光子时，这些光子在通过偏光器时状态就会改变，一半转变为上下振动方式，另一半转变为左右方式。但我们不能确定一个单独的光子会转变为哪种状态（当然，在真正应用中，一些光子会被阻塞掉，但这与这一理论关系不大）。
Bob测量光子时可能正确也可能错误，可见，Alice和Bob创建了不安全的通信信道，其他人员也可能监听。接下来Alice告诉Bob她用哪个偏光器发送的光子位，而不是她如何两极化的光子。她可能说8597号光子（理论上）发送时采用直线模式，但她不会说发送时是否用上、下或左、右。Bob这是确定了他是否用正确的偏光器接受了每一个光子。然后Alice和Bob就抛弃他利用错误的偏光器测量的所有的光子。他们所拥有的，是原来传输长度一半的0和1的序列。但这就形成了one-time pad(OTP)理论的基础，即一旦被正确实施，就被认为是完全随意和安全的密码系统。
现在，我们假设有一个监听者，Eve，尝试着窃听信息，他有一个与Bob相同的偏光器，需要选择对光子进行直线或对角线的过滤。然而，他面临着与Bob同样的问题，有一半的可能性他会选择错误的偏光器。Bob的优势在于他可以向Alice确认所用偏光器的类型。而Eve没有办法，有一半的可能性她选择了错误的检测器，错误地解释了光子信息来形成最后的键，致使其无用。
而且，在量子密码术中还有另一个固有的安全级别，就是入侵检测。Alice和Bob将知道Eve是否在监听他们。Eve在光子线路上的事实将非常容易被发现，原因如下：
让我们假设Alice采用右上/左下的方式传输编号为349的光子给Bob，但这时,Eve用了直线偏光器，仅能准确测定上下或左右型的光子。如果Bob用了线型偏光器，那么无所谓，因为他会从最后的键值中抛弃这个光子。但如果Bob用了对角型偏光器，问题就产生了，他可能进行正确的测量，根据Heisenberg不确定性理论，也可能错误的测量。Eve用错误的偏光器改变了光子的状态，即使Bob用正确的偏光器也可能出错。
一旦发现了Eve的恶劣行为，他们一定采取上面的措施，获得一个由0和1组成的唯一的键序列，除非已经被窃取了，才会产生矛盾。这时他们会进一步采取行动来检查键值的有效性。如果在不安全的信道上比较二进制数字的最后键值是很愚蠢的做法，也是没必要的
我们假设最后的键值包含4000位二进制数字，Alice和Bob需要做的就是从这些数字当中随机的选出一个子集，200位吧，根据两种状态（数字序列号2，34，65，911，等）和数字状态(0或1)，进行比较，如果全部匹配，就可以认为Eve没有监听。如果她在监听，那么不被发现几率是万亿分之一，也就是不可能不被发现。Alice和Bob发现有人监听后将不再用这个键值，他们将在Eve不可到达的安全信道上重新开始键值地交换，当然上述的比较活动可以在不安全的信道上进行。如果Alice和Bob推断出他们的键值是安全的，因为他们用200位进行了测试，这200位将被从最后的键值中抛弃，4000位变为了3800位。
因此，量子加密术在公共的键值密码术中是连接键值交换的一种相对较容易方便的方式。
【实践中如何工作 】
实践中，量子密码术在IBM的实验室中得到了证明，但仅适合应用于相对较短的距离。最近，在较长的距离上，具有极纯光特性的光纤电缆成功的传输光子距离达60公里。只是与Heisenberg不确定性原理和光纤中的微杂质紧密相连的BERs(出错率)使系统不能稳定工作。虽然有研究已经能成功地通过空气进行传输，但在理想的天气条件下传输距离仍然很短。量子密码术的应用需要进一步开发新技术来提高传输距离。
在美国，华盛顿的白宫和五角大楼之间有专用线路进行实际的应用，同时还连接了附近主要的军事地点、防御系统和研究实验室。从2003年开始，位于日内瓦的id Quantique公司和位于纽约的MagiQ技术公司，推出了传送量子密钥的距离超越了贝内特实验中30厘米的商业产品。日本电气公司在创纪录的150公里传送距离的演示后，最早将在明年向市场推出产品。IBM、富士通和东芝等企业也在积极进行研发。目前，市面上的产品能够将密钥通过光纤传送几十公里。
【量子密码的未来】
除了最初利用光子的偏振特性进行编码外，现在还出现了一种新的编码方法——利用光子的相位进行编码。于偏振编码相比，相位编码的好处是对偏振态要求不那么苛刻。
要使这项技术可以操作，大体上需要经过这样的程序：在地面发射量子信息——通过大气层发送量子信号——卫星接受信号并转发到散步在世界各地的接受目标。这项技术面对的挑战之一，就是大气层站的空气分子会把量子一个个弹射到四面八方，很难让它们被指定的卫星吸收。
另外，这项技术还要面对“低温状态下加密且无法保证加密速度”的挑战。保密与窃密就像矛与盾一样相影相随，它们之间的斗争已经持续了几千年，量子密码的出现，在理论上终结了这场争斗，希望它是真正的终结者。
相关资料
目前我们透过光纤来快速传送稳定且大量的数据。但其实我们还可以有另一种选择，就是直接以光束传递数据，而不透过光纤。然而资料的保密是相当重要的，如何能安全地传送资料，已经成为一种学问，称为「量子密码学 (Quantum Cryptography)」。
量子密码学的理论基础是量子力学，不同于以往理论基础是数学的密码学。如果用量子密码学传递数据，则此数据将不会被任意撷取或被插入另一段具有恶意的数据，数据流将可以安全地被编码及译码。而编码及译码的工具就是随机的序列(bit-strings)，也可以称他为金钥(Key)。当前，量子密码研究的核心内容，就是如何利用量子技术在量子信道上安全可靠地分配金钥。
与传统密码学不同，量子密码学利用物理学原理保护信息。通常把「以量子为信息载体，经由量子信道传送，在合法用户之间建立共享的密钥的方法」，称为量子金钥分配(QKD)，其安全性由「海森堡测不准原理」及「单量子不可复制定理」保证。
「海森堡侧不准原理」是量子力学的基本原理，说明了观察者无法同时准确地侧量待侧物的「位置」与「动量」。「单量子不可复制定理」是海森堡测不准原理的推论，它指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态。
若以量子密码学制作金钥，则此金钥具有不可复制性，因此是绝对安全的。如果不幸被骇客撷取，则因为测量过程中会改变量子状态，骇客盗得的会是毫无意义的资料。
分别来自德国与英国的研究小组在最新一期的Nature期刊上表示，科学家藉由金钥(Key)，在相距23.4公里的两地，以波长为850nm的雷射，在空气中互相传送加密资料。由于两地并没有光纤，资料传递是在一般的空气中进行，因此为了降低环境的干扰，科学家选择在空气稀薄处(海拔2244~2950m)以及夜间(避免光害)，进行实验。这样的距离(23.4公里)已经打破由美国科学家所建立的世界纪录，10公里。
如今科学家已经能在光纤中传递量子金钥。然而随着时代进步，人类信息交换月来越频繁，科学家希望能建立1600公里远的量子金钥传输，将来如果这种数据传输方式成熟，就可以在地表上，快速、安全地传送资料。也可使用此技术作为地表与低轨道卫星的通讯方式，进而建立全球资料保密传送系统。
量子卫星发射成功，这对未来精确打击有什么作用呢？
量子科技虽然听起来“高大上”，可实际上很“接地气”。到本世纪初，在人们的周围随处可见直接或间接运用量子理论的技术和装置。
从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统、从无水涂料到激光制动车闸、从医院的磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已经渗透到人们的生活中。
而“墨子号”就拥有一项独步天下的本领：量子通信！量子通信的最大特点是所有的数据和信号传输都绝对保密，再也不必担心信息被窃取，这是一项惠及千家万户的科学技术
量子科技的进步不但推动了通信安全的提升，还将带来计算能力的飞跃。量子卫星首席科学家潘建伟介绍，利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年，而利用万亿次量子计算机，只需要1秒。同样，在大数据和人工智能里，求解一个亿亿亿变量的方程组，利用目前最快的亿亿次“天河二号”计算机大概需要100年左右，但是如果利用万亿次的量子计算机，只需要0.01秒。
量子计算的应用将非常广泛，而这可能大大改变人类的生活。因为量子技术不仅可以解决大规模的计算机难题，进行气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探，而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。
“随着量子技术的发展，未来五年，量子科技将在金融、通信等领域率先得到应用，十年后大的机构可能会参与进来，也许十五年后，可以做量子加密芯片惠及大众，届时银行转款等都不用再担心账号被盗用或遭遇黑客攻击。将来在人类生活中，来自量子世界的果实会无处不在。”潘建伟说。
Science：迈向量子互联网
一个利用量子纠缠在远方用户之间建立密切联系的量子网络正在形成。
撰文 | Gabriel Popkin
译者 | 潘佳栋
审校 | 刘培源、晏丽
当一束优雅的蓝色激光进入一个特殊的晶体中时，在晶体里其变成红色，这表明每个光子都分裂成一对能量较低的光子，并且产生了一种神秘的联系。这些粒子“纠缠”在一起，就像同卵双胞胎一样相互联系。尽管住在遥远的城市，它们却知道彼此的想法。光子穿过一团乱麻，然后轻轻地将它们编码的信息存入等待的原子云 （clouds of atoms） 中。
“这种变换有一点像魔法”，石溪大学的物理学家伊登·菲格罗亚 （Eden Figueroa） 欣喜若狂。他和同事们在几个实验室长凳上炮制了这个装置，上面堆满了镜头和镜子。但是他们心中有一个更大的想法。
图1：伊登·菲格罗亚 (Eden Figueroa) 正试图将微妙的量子信息从实验室引入互联世界
到年底，美国最大的都会区，包括纽约市郊区的司机可能会在不知不觉中为一个新的、可能具有革命性意义的网络的薄弱环节而努力：一个通过像菲格罗亚实验室那样的纠缠光子联系在一起的“量子互联网” 。
数十亿美元已经被投入到量子计算机和传感器的研究中，但许多专家表示，这些设备只有在远距离相互连接时才会迅速发展。就像网络将个人计算机从美化的打字机和 游戏 机转变为不可或缺的电信设备一样，这一愿景和网络的这一方式相似。
纠缠是一种奇怪的量子力学性质，尽管它曾被阿尔伯特·爱因斯坦嘲笑为“幽灵般的超距作用”，但是研究人员仍希望能够在远距离建立紧密的、瞬时的联系。量子互联网可以将望远镜连接成超高分辨率的阵列、精确地同步时钟、为金融和选举建立安全的通信网络、并使得从任何地方进行量子计算成为可能。它还可能催生出没有人想象过的应用程序。
然而，将这些脆弱的联系放入温暖、嗡嗡作响的世界并非易事。如今存在的大多数传输链只能将纠缠的光子发送到相距仅几十公里的接收器。同时，量子连接是短暂的，它会随着光子的接收和测量而被破坏。研究人员希望可以无限期地维持纠缠，利用光子流在全球范围内编织持久的量子连接。
为此，他们将需要光中继器在量子通信网络中的等价物。光中继器是当今电信网络的组件，可在数千公里的光纤中保持强光信号。几个团队已经展示了量子中继器的关键组成部分，并表示他们在构建扩展网络的道路上进展顺利。“我们已经解决了所有的科学问题，”哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金 （Mikhail Lukin） 说，“我非常乐观地认为，在5到10年内……我们将拥有大陆级别的量子网络原型。”
1969年10月29日晚 （即Woodstock音乐节刚结束2个月，越战正在爆发） ，加利福尼亚大学洛杉矶分校的学生查理·克莱恩 （Charley Kline） 向位于加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福研究所中500多公里外的计算机发送了一条消息。这标志着美国高等研究计划署网络 （the Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET） 开始建立。从那个不稳定的双节点开始——克莱恩的预期信息是“login”，但在系统崩溃之前只有“lo”通过——互联网已经扩展到今天的全球网络。大约 20 年前，物理学家开始猜测相同的基础设施是否可以穿梭于更奇特的东西：量子信息。
1994年是一个激动人心的时刻。一位名叫彼得·肖尔 （Peter Shor） 的数学家设计了一种量子代码，可以破解当时领先的加密算法，这是经典计算机无法做到的。肖尔的算法表明，量子计算机具有使非常小的或冷的物体同时以多种“叠加”状态存在的能力，这可能具有爆炸级的应用——破解密码。他们花费了长达数十年的努力来构建量子计算机。一些研究人员想知道量子互联网是否会极大地增强这些机器的能力。
但是建造一台量子计算机已经足够令人却步了。就像纠缠一样，对纠缠至关重要的叠加状态是脆弱的，在被外界测量或以其他方式干扰时会崩溃。由于该领域专注于通用量子计算机，将这些计算机连接起来的想法大多被规划到遥远的未来。菲格罗亚打趣说，量子互联网变得“就像量子计算机的时髦版本”。
第一个能够传输单个纠缠光子的量子网络已经初具规模。2017年中国的一份报告是最引人注目的：一颗名为“墨子号”的量子卫星将纠缠粒子对发送到相距 1200 公里的地面站 （ Science , 16 June 2017, p. 1110） 。这一成就在华盛顿特区引发了担忧，最终导致了 2018 年《国家量子倡议》法案 （ National Quantum Initiative Act ） 的通过，该法案由当时的总统唐纳德·特朗普 （Donald Trump） 签署成为法律，旨在推动美国的量子技术的进步。美国能源部 （The Department of Energy，DOE） 在 4 月份提出了进一步推进美国量子互联网发展的设想，宣布斥资2500万美元用于量子互联网的研发，以连接国家实验室和大学。“让我们将我们的科学设施连接起来，证明量子网络是有效的，并为该国其他地区提供一个框架，让其继续并扩大规模。”最近才开始领导美国能源部科学办公室的克里斯·法尔 （Chris Fall） 说。
由中国科学技术大学物理学家潘建伟领导的中国小组继续发展其量子网络。根据1月份 Nature 的一篇论文，纠缠粒子现在可以跨越 4600 多公里，使用光纤和非量子中继。其他国家也已经证明了更短距离的量子连接。
量子通信行业和政府开始通过一种称为量子密钥分发 （Quantum Key Distribution，QKD） 的方法，将最初的链接用于安全通信。QKD使双方能够通过对纠缠光子对进行同时测量来共享密钥。量子连接可以防止密钥被篡改或窃听，因为任何干预测量都会破坏纠缠，用密钥加密的信息可以通过普通渠道传递。QKD 被用于确保瑞士选举的安全，并且银行已经对其进行了测试。但许多专家质疑其重要性，因为更简单的加密技术也不受已知攻击的影响，包括Shor算法。此外，QKD不能保证发送和接收节点的安全，这些节点仍然容易受到攻击。
成熟的量子网络的目标更高。“它不仅会传输纠缠粒子”，美国国家标准与技术研究所的物理学家尼尔·齐默曼 （Neil Zimmerman） 说，“它将纠缠作为一种资源进行分配”，使设备能够长时间纠缠，从而共享和利用量子信息。 （ Science , 19 October 2018, 10.1126/science.aam9288）
在量子网络的发展中，科学可能是首先受益的。量子网络的一种可能的用途是超长基线干涉测量。该方法将全球的射电望远镜连接起来，有效地创造了一个强大的单一、巨大的天线，足以对遥远星系中心的黑洞进行成像。将远距离的光学望远镜收集到的光组合起来更具挑战性。但是物理学家提出了一些方案，可以在量子存储器中捕获望远镜收集的光，并使用纠缠光子提取和合并其相位信息，这是超高分辨率的关键。分布式纠缠量子传感器还可以为暗物质和引力波带来更灵敏的探测器网络。
量子网络更实际的应用包括超安全选举和防黑客通信，这使得信息本身，而不仅仅是用于解码它的密钥，能够像在QKD中密钥一样在纠缠节点之间共享。纠缠也可以同步原子钟，并防止在它们之间积累信息的延迟和错误。除此之外，量子网络还可以提供一种连接量子计算机的方法，增强量子计算机的能力。在未来一定的时间里，每个量子计算机可能会被限制在几百个量子比特，但如果纠缠在一起，它们可能能够处理更复杂的计算。
进一步考虑这个想法，一些人还设想了一种云计算的模拟，即所谓的盲量子计算 （Blind quantum computing） 。人们的想法是，有朝一日，最强大的量子计算机将位于国家实验室、大学和公司，就像今天的超级计算机一样。药物和材料设计师或股票交易员可能希望在不泄露程序内容的情况下从远处运行量子算法。理论上，用户可以在与远程量子计算机纠缠在一起的本地设备上对问题进行编码——利用远程计算机的能力，但同时不泄漏该问题的信息。
“作为一名物理学家，我认为盲量子计算非常漂亮。”因斯布鲁克大学的特蕾西·诺瑟普 （Tracy Northup） 说。
研究人员对完全纠缠网络 （fully entangled networks） 进行了早期研究。2015 年，魏纳 （Wehner） 及其同事将光子与氮原子中的电子自旋纠缠在一起，它们被包裹在代尔夫特理工大学校园内相距1.3公里的两颗小钻石中。然后光子被发送到一个中间站，在那里它们相互作用以纠缠钻石节点。该实验创造了“调制”纠缠的距离记录，这意味着研究人员可以确认并使用它，并且这种联系持续了长达几微秒。
然而，更广泛的网络可能需要量子中继器来复制、校正、放大和重新广播几乎每个信号。尽管中继器是经典互联网中相对简单的技术，但量子中继器必须避开“不可克隆”定理——即从本质上讲，量子态不能被复制。
图2：量子网络将由纠缠的光子编织在一起，这意味着它们共享一个量子态。但是这需要量子中继器在遥远的用户之间中继脆弱的光子。
一种流行的量子中继器设计从两个相同的、不同来源的纠缠光子对开始，每对中的一个光子飞向遥远的端点，这些端点可能是量子计算机、传感器或其他中继器。让我们称它们为Alice和Bob，因为量子物理学家习惯这样做。
每对光子的另一半向内拉，朝向中继器的中心。该设备必须捕获先到达的光子，将其信息导入量子存储器 （可能是钻石或原子云） ，纠正在传输过程中积累的错误，并对其进行处理，直到另一个光子到达。然后中继器需要以纠缠遥远的光子双胞胎的方式将两者联系起来。这个过程被称为纠缠交换 （entanglement swapping） ，在遥远的端点Alice和Bob之间创建了一个链接。其他的中继器可以将Alice连接到Carol，将Bob连接到Dave，最终跨越很远的距离。
菲格罗亚将他建造这种设备的动力追溯到他2008年在卡尔加里大学的博士学位论文答辩。这位出生于墨西哥的年轻物理学家描述了他如何将原子与光纠缠在一起之后，一位理论学家问他要如何处理这个装置。“当时我真丢脸，我没有答案。对我来说，这是一个我可以玩的玩具。”菲格罗亚回忆道。“他告诉我：‘量子中继器就是你要做的。’”
受到启发，菲格罗亚在来到石溪之前就在马克思·普朗克量子光学研究所研究了该系统。他很早就确认商用的量子中继器应该在室温下运行——这与大多数量子实验室的实验不同，后者在非常冷的温度下进行，以最大限度地减少可能扰乱脆弱量子态的热振动。
菲格罗亚希望将铷蒸气作为中继器的一个组件，即量子存储器。铷原子是锂和钠的同族元素，对科学家很有吸引力，因为它们的内部量子态可以通过光来设置和控制。在菲格罗亚的实验室中，来自分频晶体的纠缠光子进入每个包含 1 万亿个左右铷原子的塑料细胞 （cells） 。在那里，每个光子的信息被编码为原子之间的叠加，在那里它持续几分之一毫秒——这对于量子实验来说非常好。
菲格罗亚仍在开发第二阶段的中继器：使用计算机控制的激光脉冲来纠正错误并维持云的量子态。然后，额外的激光脉冲会将携带纠缠的光子从存储器发送到测量设备，以与最终用户发生纠缠。
卢金使用不同的介质构建量子中继器：包裹在钻石中的硅原子。传入的光子可以调整硅电子的量子自旋，从而产生潜在的稳定记忆。论文中，他的团队报告捕获和存储量子态的时间超过五分之一秒，远远长于铷存储器。2020年一篇发表在 Nature 上的文章中指出，尽管必须将钻石冷却到绝对零上几分之一度的范围内，但卢金表示制冷器正在变得紧凑和高效， “现在这是我最不担心的。”
在代尔夫特理工大学，魏纳和她的同事也在推动钻石方法，但使用氮原子而不是硅。上个月在 Science 杂志上，该团队报道了在实验室中纠缠三颗钻石，创建了一个微型量子网络。首先，研究人员使用光子纠缠了两种不同的钻石：Alice和Bob。在Bob中，纠缠从氮转移到碳核中的自旋：一种长寿命的量子存储器。然后在Bob的氮原子和第三颗钻石Charlie之间重复纠缠过程。研究人员对 Bob的氮原子和碳核进行联合测量然后将纠缠转移到第三颗钻石，即Alice到Charlie。
实验负责人、代尔夫特理工大学物理学家罗纳德·汉森 （Ronald Hanson） 说，尽管该实验距离比现实世界的量子网络需要的距离短得多、效率也低得多，但可控的纠缠交换证明了量子中继器的工作原理，这是“从未被做过的事情”。
潘建伟的团队还展示了一个部分中继器，其中原子云作为量子存储器。但在2019年发表在 Nature Photonics 上的一项研究中，他的团队展示了一个完全不同的早期原型：通过平行光纤发送大量的纠缠光子，至少有一个可能在旅途中幸存下来。潘建伟说，虽然这可能避免对中继器的需求，但该网络需要能够纠缠至少数百个光子，而他目前的记录是12个光子。使用卫星产生纠缠是潘建伟正在开发的另一项技术，也可以减少对中继器的需求，因为光子在太空中的存在时间比通过光纤长得多。
大多数专家都认为，真正的量子中继器还需要数年时间，最终可能会使用当今量子计算机中常见的技术，例如超导体或俘获离子，而不是钻石或原子云。这样的设备需要捕获几乎所有击中它的光子，并且可能需要至少几百个量子比特的量子计算机来校正和处理信号。从某种意义上说，更好的量子计算机可以推动量子互联网的发展——这反过来又可以增强量子计算。
在物理学家努力打造完美中继器的同时，他们正在将单个大都市区内的站点连接起来，因为它们不需要中继器。在2月发布到 arXiv 的一项研究中，菲格罗亚将他的实验室中两个原子云存储器中的光子通过79公里的商业光纤发送到布鲁克海文国家实验室，在那里光子被合并——代尔夫特理工大学的小组朝着这种端到端类型的纠缠迈出了一步。到明年，他计划在他的大学和他的创业公司Qunnect的纽约办公室之间部署两个量子存储器，并把它们压缩到一个微型冰箱的大小，看看它们是否能提高光子在旅途中幸存下来的几率。
波士顿、洛杉矶和华盛顿特区也正在建设量子网络，两个网络将把伊利诺伊州的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很快将他们创纪录的长期纠缠扩展到荷兰海牙的商业电信设施，而其他新兴网络正在欧洲和亚洲不断发展。
这些量子网络最终目标是使用中继器将这些小型网络连接到洲际互联网。但首先，研究人员面临着更简单的挑战，包括建造更好的光子源和探测器、最大限度地减少光纤连接处的损耗，以及在特定量子系统 （例如原子云或钻石） 的固有频率和电信光纤传导的红外波长之间有效地转换光子。“那些现实世界的问题，”齐默曼说，“实际上可能比光纤衰减的问题更大。”
图3：微小钻石中的杂质原子（如该芯片的核心）可以存储和传递量子信息。
有些人怀疑这项技术是否是在炒作。“纠缠是一种非常奇怪、非常特殊的性质”，陆军研究实验室的物理学家库尔特·雅各布斯说， “它不一定适用于所有类型的应用程序。” 例如，对于时钟同步，与经典方法相比量子网络的优势仅体现在纠缠设备数量的平方根上，量子网络需要连接9个设备才能获得经典网络3倍的收益。三倍增益需要连接九个时钟——可能会遇到高于它的价值的问题。“拥有功能性量子网络总是比经典网络更难。”雅各布斯说。
对于这种怀疑，芝加哥大学的物理学家大卫·奥沙洛姆 （David Awschalom） 反驳说，“我们正处于量子技术的晶体管阶段。” 晶体管于1947年被发明出来，几年之后，公司才发现它在收音机、助听器和其他设备中的用途。如今，每一台新电脑、智能手机和 汽车 的芯片中，都蚀刻了数以亿计的晶体管.
未来几代人可能会像我们怀念阿帕网 （ARPANET） 一样回望此刻——作为互联网的纯婴儿版本，阿帕网的巨大潜力当时没有得到认可和商业化。“你可以肯定，我们还没有想到这项技术将做的一些最重要的事情”，奥沙洛姆说：“如果你相信已经做了最重要的事情，那说明你太傲慢了。”
本文经授权转载自微信公众号“集智俱乐部”。
原文地址：
