量子网络是一种新兴技术，可以将纠缠的量子比特分发给地理位置上不同的用户。这些网络可以实现新的通信任务，例如生成共享密码密钥，其安全性不依赖于算法复杂性。这种安全性可以补充和扩展当前最先进的公钥加密技术，并在未来应对计算硬件的进步。此外，量子网络可以提供对基于云的第 3 方量子计算机的私有访问，用户可以在不暴露代码和数据的情况下运行计算。
在这篇博文中，我们解释了量子网络的基本原理和用例，同时解释了量子中继器（量子网络基础设施的关键部分）是如何工作的。我们首先介绍量子比特和纠缠的基础知识。接下来，我们将展示分布式纠缠如何为客户生成加密密钥。我们讨论了当前纠缠分布的研究现状及其不足，即网络范围有限。最后，我们讨论了如何通过量子中继器克服当前量子网络的范围限制，量子中继器是可以存储量子比特并对其进行联合测量的设备。
图 1：量子比特的特性。量子比特有两种状态，但与经典比特不同的是，它们可以同时以两种状态的叠加状态存在。测量量子比特的状态会导致它坍缩为两种状态中的一种。
如图 1 所示，量子比特 (量子位) 有两种状态，我们将其表示为 1 和 0。与经典比特不同，量子比特可以以叠加态存在，其中一个量子比特同时占据这两种状态。这些状态，包括叠加，可以表示为箭头的方向：向上或向下，分别表示 1 或 0，向左或向右表示 1 和 0 的两个不同叠加。向左或向右方向编码叠加的“相位”：状态的数学表达式中是否有减号或加号，如图1右上角所示。
检测器是一种可以沿任何方向（称为测量基准）测量量子比特的设备，迫使它以概率的方式移动（“坍缩”）到指向与测量基准平行或相反的状态。量子比特在每个状态结束的概率由量子比特和测量基础对齐的程度决定。例如，图 1 底部面板中的测量结果可能是向上和向右或向下和向左指向的量子比特。然而，由于量子位在测量之前直接指向下方，因此向下向左是一个更有可能的结果。
图 2：量子纠缠是两个或多个量子比特的共享属性。在该图中，无论测量基础如何，两个量子位的纠缠状态都会导致两个量子位上的测量结果相关。
量子比特处于两种状态叠加的能力允许它们以一种特殊且有用的方式相互关联，称为纠缠。两个量子位（顶部和底部）可以在联合叠加状态（左分量减去右分量）中纠缠（在图 2 中用红色环表示）。沿着任何基础测量纠缠对的单个量子位将产生具有 50/50 概率的随机结果（例如，向上或向下）。然而，当两个纠缠的量子位在相同的基础上进行测量时，这两个纠缠的量子位总是指向相反的方向，如图 2 的右两个面板所示。无论测量它们的基础如何，该属性都成立。
图 3：安全量子通信。测量纠缠对中的一个量子比特会破坏纠缠。两个通信方 Alice 和 Bob 可以使用此属性来检测窃听者是否正在测量他们的纠缠位。
纠缠的量子比特可用于安全地生成对称加密密钥，并通过检查相关性是否按预期发生来检测企图窃听。如果两方（在图 3 中称为 Alice 和 Bob）共享纠缠的量子比特，他们都可以测量其本地量子比特并将测量结果记录为经典比特。对纠缠对的量子比特执行的测量将是完全随机的但可靠相关，允许每一方验证它是否拥有其对手的比特补码。使用多对纠缠的量子比特，各方可以构建二进制字符串，它们是彼此按位互补的，并将它们用作加密密钥。
量子通信的安全性来自一个叫做不可克隆定理的原理，它指出不可能忠实地克隆一个未知的量子态。这可以理解为：如果窃听者试图通过测量一个或两个量子位来拦截量子信息，他们的测量将使两个比特坍缩指向明确的方向，并破坏纠缠，如图3的中间面板所示。在这种情况下，通信方执行的测量有时不会以预期的方式关联。通过称为纠缠一夫一妻制的原理，攻击者也无法纠缠第三个量子比特来存储信息，这表明只有两个量子位可以最大程度地纠缠。这允许双方通过测量他们的量子比特对的相关性来检查相关性是否不与第三方共享。两个通信方可以公开比较他们的比特的一个随机子集。如果他们的比特没有以预期的方式相关，那么通信方就知道有人试图窃听他们的通信，如图 3 的底部面板所示。
图 4：纠缠分布。现有的系统利用激光和非线性晶体来产生纠缠的光子对，将纠缠的量子比特分配到遥远的一方。这种方法受到光子损耗的阻碍，因为光子是通过长光纤链路传输的。
量子纠缠使安全通信成为可能，这一前景导致了将纠缠量子比特分发给远程参与者的系统的发展。大多数纠缠分布系统依靠光子来传输它们的量子信息。光子或单个光粒子是量子通信的有效量子比特，因为它们可以通过光纤电缆长距离传输。纠缠光子也很容易通过一种特殊的非线性光学晶体照射激光来产生，如图 4 所示。但是，通过电信光纤传输的光子最终会被吸收或散射。这为仅使用光子的基于光纤的量子通信设定了最大距离，通常约为 100 公里。
在经典的光纤网络中，这种损失是通过引入放大器来补偿的，放大器通过产生许多输入光子副本来增强弱信号。然而，由于不可克隆定理，放大器不能完美地复制量子态。它在放大过程中产生的噪声破坏了量子通信所需的纠缠。我们需要构建一个新设备，而不是放大器，而是一个量子中继器，它可以通过捕获和存储（而不是测量）编码在光子中的量子比特来校正光子损失，而不会破坏通信信息的量子特性。
图 5：联合量子测量和纠缠交换。尽管测量纠缠对中一个量子比特的状态会破坏纠缠态，但测量两个量子比特的联合状态可以保持纠缠态。这些联合量子测量可以用来交换纠缠，使用两个纠缠量子位对来产生以前不存在的纠缠。
量子中继器使用联合量子测量来避免破坏纠缠。通过测量诸如“量子比特指向相同还是相反的方向？”之类的集体属性。任何一个量子比特都没有透露任何信息，并且纠缠被保留了下来。这个联合测量的示例，称为量子奇偶校验测量，可以在图 5 的第一面板中看到。如果量子比特指向相同的方向，则量子奇偶校验测量输出 +1，如果它们指向相反的方向，则输出 -1。
一个量子中继器将一段量子网络分成两部分，如图 5 的右半部分所示。它包含两个量子存储器 B 和 C，它们可以捕获光子并存储它们的量子位而不测量它们。以这种方式，中继器可以存储来自两个单独的纠缠位对的每个量子位。一旦中继器从链路两侧捕获并存储了一个光子，它就会对存储的量子位执行量子奇偶校验测量。使用奇偶校验测量的结果和初始纠缠量子比特的属性，我们可以知道剩余两个量子比特的奇偶校验，而无需了解它们分别指向哪个方向。这将纠缠“交换”到链接的末端，而不需要单个光子穿过它们之间的全部距离。值得注意的是，中继器不一定要得到Alice和Bob的信任才能保证通信的安全；如果对抗方试图通过在中继站测量来获取有关密钥的信息，Alice 和 Bob 将在他们的测量中看到可检测的变化，类似于图 3 的底部面板。
图 6：量子中继器和量子网络。量子中继器可以通过用一系列较短的链路替换可能会丢失纠缠光子的长光纤链路来扩展量子网络的范围。每个较短的链路都可以尝试在中继器之间多次分发纠缠，而成功传输的纠缠则存储在量子存储器中。当在每个链路上建立纠缠时，量子中继器可以执行纠缠交换以将其分发给最终用户。
中继器可以捕获并存储光子中的量子信息，通过长量子网络链路提高纠缠产生率。图 6 比较了没有中继器的量子网络与增加了中继器的相同网络。在上图中，没有中继器，纠缠光子对到达 Alice 和 Bob 的概率很低。通过将可以共享纠缠并与相邻链路执行纠缠交换的中继站链接在一起，量子网络将量子通信链路分成许多较小的链路，如图 6 的底部面板所示。如果一个特定链路无法建立纠缠，则当失败的链路试图重新建立纠缠时，其余的中继器可以继续存储他们收到的纠缠位。当在每个链路上都建立了纠缠时，中继器执行纠缠交换以将纠缠对传递给最终用户。通过使用纠缠交换，中继器链可以可靠地将纠缠分配给更远距离的用户。
量子网络将使全球客户能够生成加密密钥并私密且安全地访问量子计算机。量子中继器仍在开发中，其运行规模可达到全球网络所需的规模，但AWS量子网络中心致力于进行必要的研究，以便将这种独特的技术交到他们的客户手中。
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