量子互联网是一个量子计算机网络，有朝一日将发送、计算和接收以量子态编码的信息。量子互联网不会取代现代或“经典”互联网；相反，它将提供新的功能，例如量子密码学和量子云计算。

虽然量子互联网的全部影响在一段时间内还不得而知，但一些应用已经被理论化，其中一些应用（如量子密钥分发）已经投入使用。目前尚不清楚何时会部署全面的全球量子互联网，但研究人员估计，未来 10 到 15 年内，州际量子网络将在美国境内建立。

什么是量子互联网？

量子互联网是一种理论化且备受追捧的互连量子计算机网络，有一天将允许人们使用量子技术发送、计算和接收信息。

量子互联网的目的不是要取代我们今天所知道的互联网，而是要创建一个可用于解决特定类型问题的共存网络。

科学家们认为，它将特别适用于涉及许多变量的问题，如分析金融风险、加密数据和研究材料的特性。

研究人员怀疑在不久的将来人们是否会拥有个人量子计算机。相反，他们将被安置在学术机构和私人公司，在那里他们可以通过云服务访问。

量子互联网是如何工作的?

量子计算机使用的基本信息单位类似于经典计算中使用的比特。这些被称为“量子比特”。

然而，与以0或1来传递信息的传统计算机比特不同，量子比特通过量子态的组合来传递信息，这是只有在亚原子尺度上才能发现的独特条件。

例如，一种可用于编码信息的量子态是一种称为“自旋”的属性，它是电子的固有角动量。自旋可以被认为是一个指向上方或下方的微小罗盘针。研究人员可以操纵那根针将信息编码到电子本身中，就像他们使用传统比特一样——但在这种情况下，信息是以可能状态的组合编码的。在称为叠加的量子现象中，量子位不是 0 或 1，而是两者兼而有之。 

这使得量子计算机能够以与传统计算机完全不同的方式处理信息，因此它们可以解决某些类型的问题，即使是最大的超级计算机也需要数十年才能完成。这类问题包括大数因式分解或解决复杂的物流计算。量子计算机对于密码学以及发现新型药物或太阳能电池、电池或其他技术的新材料方面特别有用。

但要释放这种潜力，量子计算机必须能够处理大量的量子比特——超过目前任何一台机器所能处理的数量。也就是说，除非可以通过量子互联网将多台量子计算机连接起来，并将它们的计算能力集中起来，从而创建一个功能更强大的系统。  

目前有几种不同类型的量子位正在开发中，每种都有明显的优缺点。目前研究的最常见的量子位是量子点、离子阱、超导电路和缺陷自旋量子位。

量子互联网能做什么？

与许多科学进步一样，在量子互联网得到充分开发之前，我们无法理解它的所有功能。

在 60 年前，很少有人能想象有一天，少数相互连接的计算机会产生我们今天所知道的庞大的数字景观。量子互联网呈现出类似的未知数，但许多应用已经理论化，有些已经得到证明。

通信安全

由于量子比特独特的量子特性，科学家们认为量子互联网将大大提高信息安全性，使量子加密信息几乎不可能被拦截和破译。量子密钥分（简称QKD）是一个过程，通过该过程，两方可以通过量子网络共享无法拦截的加密密钥。几家私营公司已经提供了这一流程，它甚至被用于确保全国选举的安全。

同时，量子计算机对传统的加密通信构成了威胁。RSA 是当前保护敏感数字信息的标准，现代计算机几乎不可能破解；然而，具有足够处理能力的量子计算机可以在几分钟或几秒钟内通过 RSA 加密。

传感器网络

一个完全实现的量子网络可以显着提高用于研究某些现象的科学仪器的精度。这种网络的影响将是广泛的，但早期的兴趣集中在来自黑洞的引力波、显微镜和电磁成像。

扩展量子计算

创建一个纯量子互联网也将减轻量子信息在经典系统和量子系统之间转换的需求，这在当前系统中是一个相当大的障碍。取而代之的是，它将允许一组单独的量子计算机像一台联合机器一样处理信息，从而赋予它们比任何单个系统都可以单独使用的强大的计算能力。

“量子互联网代表了我们思考安全全球通信方式的范式转变，”芝加哥大学分子工程和物理学刘氏家族教授、芝加哥量子交易所主任、阿贡能源量子信息科学中心Q-NEXT主任David Awschalom说。“能够创建一个量子计算机的纠缠网络将使我们能够发送不可破解的加密消息，使用量子时钟使技术在远距离上保持完美同步，并解决一台量子计算机可能独自解决的复杂问题——而这些只是我们现在知道的一些应用程序。未来可能会使用量子网络获得令人惊讶和有影响力的发现。”

量子互联网还有多远？

迄今为止，还没有人能够成功地大规模创建持续的量子网络，但已经取得了重大进展。

2017 年，中国科学技术大学的研究人员使用激光成功地在轨道卫星和 700 多英里以下的地面站之间传输纠缠光子。该实验显示了使用卫星构成量子网络的一部分的可能性，但该系统只能从每 600 万个光子中恢复一个光子，这太少了，无法用于可靠的通信。

2019 年 4 月，布鲁克海文国家实验室、石溪大学和美国能源部能源科学网络的科学家使用便携式量子纠缠源和光纤网络实现了超过10英里的纠缠。从那时起，他们的实验已经发展到包括一个 80 英里的量子网络试验台。

2020 年 1 月，芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员成功测试了一个54英里长的量子环路，该环路使用了埋在芝加哥西郊地下的现有光纤电缆。该项目通过传输延迟仅为 200 毫秒的光脉冲，展示了量子网络线路所需的核心功能。环路就位后，研究人员开始测试范围更广的量子设备。

2022 年 6 月，芝加哥网络增加了 35 英里的延长线，成为全国最长的网络之一。该网络现在由6个节点和124英里的光纤传输粒子组成，这些粒子携带着量子编码信息，连接位于Lemont郊区的美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥南部的两座建筑，一座在芝加哥大学校园，另一座在海德公园附近的CQE总部。

扩展的芝加哥网络代表了量子网络规模的实质性飞跃，并为更大的州际系统奠定了基础。

构建量子互联网还需要什么？

虽然量子互联网已经超越了理论，但科学家们仍在完善其许多基本硬件，包括负责生成、传输和同步量子比特的组件。 

更稳定的量子比特

量子比特以亚原子粒子的量子态进行编码，而这些量子态很容易受到外部力量(如振动或温度波动)的干扰。当量子态受到干扰时，它会丢失所携带的任何信息。为了防止这种情况，许多类型的量子计算机必须被隔离并冷却到接近绝对零度，这是昂贵的。

绕过低温存储的一种方法是完全使用不同类型的量子位，即一种可以在室温下工作的量子位，例如缺陷自旋量子位。它们由非常坚硬的材料制成，例如金刚石或碳化硅，并且在制造时分子结构存在特殊缺陷。该缺陷内的分子随后用于保存量子信息。芝加哥大学分子工程与物理学刘氏家族教授、阿贡国家实验室资深科学家David Awschalom在该领域取得了多项突破，例如，2022 年 2 月，他和他的团队宣布他们能够在 5K 下将自旋缺陷量子位的量子态保持 5 秒（这是这类设备的新记录），并按需读取存储在量子位中的信息。

量子中继器

要超越芝加哥正在建设的区域网络，科学家必须找到一种放大量子信号的方法——考虑到量子态的性质，这是一项特别困难的任务。对于传统互联网，只要信号减弱，中继器就可以捕获并重新传输信号。不幸的是，由于“不可克隆定理”，捕获或试图复制纠缠光子会破坏它。

研究人员正在积极探索多种方法来重复量子信号而不破坏它。例如，芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 的助理教授Tian Zhong认为，这可以通过部署量子存储器来实现，该存储器可以保护量子信息免于退相干，本质上是创建量子中继以保持量子比特的完整性，直到它们到达目的地。这样的系统理论上可以让量子通信在全球范围内传播。

量子基础设施

将量子比特从一个地方移动到另一个地方需要某种形式的物理连接，至少在最初阶段是这样。近年来出现了两种最有可能的选择：卫星传输和光纤电缆。在这两者中，光纤是更便宜、更丰富的选择。

世界各地的实验室已经开始测试光纤网络，其中包括位于芝加哥的一条124英里长的环路，它将位于莱蒙郊区的阿贡国家实验室、位于海德公园的芝加哥大学、芝加哥量子交易所总部和位于芝加哥南部的另外两座建筑连接起来。该网络于2022年春季扩展，是世界上最大的网络之一，并计划进一步扩展，将连接费米国家加速器实验室。

原文链接：https://news.uchicago.edu/explainer/quantum-internet-explained#what

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