健康教育网在成为理论物理学家之前，斯蒂芬妮·韦纳（Stephanie Wehner）是一名黑客。像那个舞台上的大多数人一样，她从小就自学成才。15岁时，她将自己的积蓄花在了第一个拨号调制解调器上，供她在德国维尔茨堡的父母家中使用。到20岁时，她已经获得了足够的街头信誉，可以在阿姆斯特丹成立了由黑客同行创办的荷兰互联网提供商的工作。
几年后，韦纳以网络安全专家的身份上大学。在那儿，她了解到量子力学提供了当今网络非常缺乏的东西-进行不可靠通信的潜力。现在，她正在将过去的迷恋转向新的愿望。她想重塑互联网。
量子粒子生活在不确定状态下的能力（如活着的和死掉的薛定枚谚语的猫）已经使用了多年来增强数据加密。但是现在在荷兰代尔夫特理工大学的韦纳和其他研究人员认为，他们可以利用量子力学通过利用自然界不可思议的能力来链接或纠缠远处的物体，并在它们之间传送信息来做更多的事情。Wehner说，起初，这听起来似乎很理论。现在，“有希望实现这一希望”？
支持者说，这样的量子互联网可以打开整个应用领域，这是经典通信无法实现的，包括将量子计算机连接在一起。使用相距甚远的天文台建造超清晰望远镜；甚至建立检测重力波的新方法。有人将其视为取代现有形式的互联网的一天。维也纳大学的物理学家安东·齐林格（Anton Zeilinger）说：“我个人认为，将来，大多数（如果不是全部）通信将是量子通信，”他率先进行了量子隐形传态实验1。 1997年。
代尔夫特的一个团队已经开始建立第一个真正的量子网络，它将连接荷兰的四个城市。该项目定于2020年完成，可能是ARPANET的量子版本，ARPANET是美国军方在1960年代后期开发的通信网络，为当今的互联网铺平了道路。
参与这项工作的韦纳（Wehner）也正在协调一个更大的欧洲项目，称为量子互联网联盟（Quantum Internet Alliance），该项目旨在将荷兰实验扩展到大陆范围。作为该过程的一部分，她和其他人正试图将计算机科学家，工程师和网络安全专家召集在一起，以帮助设计未来的量子互联网。
许多技术细节仍然需要整理，一些研究人员警告说，现在要确切说出量子互联网可以提供多少还为时过早。但是，韦纳说，通过尽早考虑安全性，她希望避免Internet从ARPANET继承的漏洞。“也许我们有机会从一开始就做到这一点。”？
量子键
关于量子通信模式的第一个建议可以追溯到1970年代左右。当时纽约市哥伦比亚大学的年轻物理学家斯蒂芬·维斯纳（Stephen Wiesner）看到了量子力学最基本原理之一的潜力：如果不改变它，就不可能测量系统的特性。
威斯纳建议，信息可以被编码在诸如孤立原子之类的物体的状态中，其“荣针”可以像传统位的0和1那样向上或向下指向，但也可以同时处于两种状态。这样的量子信息单位现在通常被称为量子位或量子位。威斯纳指出，由于可以在不改变量子位状态的情况下测量其性质，因此不可能精确复制或“复制”一个个体。否则，某人可以仅通过测量其克隆来提取有关原始量子位状态的信息而不会对其产生影响。这种禁令后来被称为量子无克隆技术，事实证明这对安全性是一个福音，因为黑客无法在不留痕迹的情况下提取量子信息。
受维斯纳（Wiesner）的启发，1984年，纽约约克镇高地IBM的计算机科学家查尔斯·本内特（Charles Bennett）和加拿大蒙特利尔大学的合作者吉尔斯·布拉萨德（Gilles Brassard）提出了一个巧妙的方案，通过该方案，两个用户可以产生不间断的只有他们知道的加密密钥3。该方案取决于光可以被偏振的事实，从而电磁波在水平或垂直平面中振荡。一个用户将1和0的随机序列转换为以这两个极化状态编码的量子密钥，并将其流式传输给另一个人。在一系列步骤中，接收者测量密钥并确定传输不受窃听者的测量干扰。确信密钥的安全性后，双方可以对由经典位组成的任何消息（例如“图像”）进行加扰，并像在常规Internet或任何其他通道上的任何其他加密消息一样发送该消息。 。
1989年，贝内特（Bennett）带领团队首次通过实验证明了这种“量子密钥分发”（QKD）4。如今，使用类似方案的QKD设备已在市场上出售，通常出售给金融或政府组织。例如，ID Quantique公司于2001年在瑞士日内瓦成立，该公司建立了一条量子联系，一直在保护瑞士大选结果超过十年。
去年，中国科学技术大学物理学家潘建伟的心血结晶-中国micius卫星对这种方法进行了最生动的说明。使用贝内特（Bennett）和布拉萨德（Brassard）协议的变体，该航天器创建了两个钥匙，然后将其发送到北京的地面站，另一个发送到维也纳，因为它从头顶飞过。然后，一台车载计算机将这两个秘密密钥组合在一起，以创建一个新密钥，然后将其经典地分解。配备了私钥的维也纳和北京团队可以通过本质上减去自己的私钥来解密组合后的私钥，从而学习其他私钥。使用这两个密钥，一个团队可以解密另一团队使用其密钥加密的传输。去年9月，Pan和Zeilinger使用这种方法建立了第一个洲际视频聊天，部分由量子密钥来保护。
像Micius这样的卫星可以帮助解决当今使量子通信变得安全的主要挑战之一：距离。创建加密密钥所需的光子会被光纤或“在地面网络的情况下”被光纤吸收，这使量子传输在几十公里后变得不切实际。
由于不能复制量子态，因此发送多个量子位副本以希望至少有一个量子位副本不是一种选择。因此，目前，创建长距离QKD链接需要构建“生锈的节点”以充当中介。如果一个人要侵入一个以其量子形式和经典形式处理密钥的受信任节点，他们将能够在不被检测到的情况下复制密钥，因此，政府或公司当然可以操作该节点。对于地面上的受信任节点和Micius都是如此。潘说：“卫星什么都知道。”但是，通过卫星可以减少连接遥远点所需的受信任节点的数量。
潘说，受信任的节点已经对某些应用程序迈出了一步，因为它们减少了网络容易受到攻击的位置。他还领导了广泛的北京-上海量子通信骨干网的创建。Pan说，该网络于9月启动，使用2000多公里的光纤连接4个城市的32个受信任节点，并且正在测试银行和商业通信，例如连接互联网购物巨头阿里巴巴的数据中心。
量子连接
但是涉及受信任节点的网络仅是部分量子。量子物理学仅在节点如何创建加密密钥中起作用；随后的信息加密和传输完全是经典的。真正的量子网络将能够利用纠缠和隐形传输在远距离传输量子信息，而无需脆弱的受信任节点。
建立这样的网络的主要动机之一是使量子计算机能够在国家之间和在单个房间中相互通信。可以打包到任何一个计算系统中的qubit数量可能是有限的，因此将这些系统联网可以帮助物理学家扩大规模。马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）说：“到这一点，可以公平地说，您也许可以构建一个可能具有数百个量子比特的量子计算机。”“除此之外，唯一的方法就是使用这种涉及量子通信的模块化方法。” / p>
在更大范围内，研究人员设想了一种量子计算云，其中包含一些高度复杂的机器，这些机器可以通过大多数大学实验室的量子互联网进行访问。代尔夫特的实验物理学家罗纳德·汉森说：“更酷的是，这种云量子计算也是安全的。”“服务器上的人们无法知道您正在运行哪种程序以及所拥有的数据。” / p>
研究人员针对互联网应用提出了许多其他建议，例如拍卖，选举，合同谈判和快速交易等，这些建议可以利用量子现象比传统方法更快或更安全。
但是，量子互联网的最大影响可能是对科学本身的影响。一些研究人员说，使用纠缠技术同步时钟可以提高类似全球定位系统的导航网络的精度，从米到毫米。卢金（Lukin）等人提出用纠缠将遥远的原子钟组合成单个时钟，从而大大提高了精度，他说这可能会带来例如检测引力波的新方法。在天文学中，量子网络可以将遥远的光学望远镜连接成千上万公里，以有效地为它们提供跨越同一距离的一个碟形卫星的分辨率。此过程称为超长基线干涉测量法，通常在射电天文学中应用，但在光学频率下运行需要定时精度，而目前这是无法达到的。
诡异的安全性
在过去的十年左右的时间里，马里兰大学公园分校的物理学家克里斯托弗·门罗（Christopher Monroe6）率先开展的实验，以及其他一些实验，证明了构建真正的量子网络所需的一些基础知识，例如从一个地方传送以量子比特编码的信息到另一个（请参阅“创建量子互联网”。
要查看远程传送（也是Bennett和Brassard7提出的）如何工作，请想象两个用户：爱丽丝和鲍勃。爱丽丝持有一个量子比特，可能是一个被困的离子或其他量子系统，并且想要将存储在其中的信息转移给鲍勃。幸运的是，爱丽丝和鲍勃拥有两个相互缠结的“榩氧基”粒子（也就是量子位）。如果爱丽丝可以纠缠她的量子位和代理粒子，则该量子位也将与鲍勃粒子纠缠在一起。为此，爱丽丝对她的两个粒子执行了一种特殊的联合测量。然后，她与Bob共享该测量结果（普通的经典数据）。为了完成传送过程，Bob然后使用该信息来操纵他的粒子，以使其最终状态与最初的Alice qubit相同。
出于实际目的，Alice和Bob如何获得纠缠的代理粒子并不重要。例如，它们可以是公文包中传递的单个原子，也可以是由第三方发射到该对的光子。（去年，Micius进行的一项实验将纠缠的光子对送至中国的两个地面站，记录的距离超过1200公里。）爱丽丝和鲍勃还可以通过发送光子在第三位置进行交互来纠缠它们持有的量子位。
量子隐形传态的魅力在于，量子信息在技术上不会沿着网络传播。确实传播的光子仅用于在爱丽丝和鲍勃之间建立链接，从而可以传输量子信息。如果一对纠缠的光子未能建立连接，则另一对将建立连接。这意味着如果光子丢失，量子信息也不会丢失。
链接并重复
量子互联网将能够按需在任何两个用户之间产生纠缠。研究人员认为，这将涉及通过光纤网络和卫星链路发送光子。但是连接遥远的用户将需要一种技术，该技术可以扩展纠缠的范围-将纠缠在用户之间以及沿着中间点进行中继。
卢金和他的合作者于2001年提出了一种这样的量子中继器工作方式8。在他们的方案中，可以存储量子位并对其进行简单操作的小型量子计算机被用来在上游站与一个下游纠缠量子位。沿网络中的路径重复应用此“纠缠交换”过程最终将在任何两个用户之间产生纠缠。
2015年，Hanson和他的合作者展示了如何建立一个网络的分支，方法是将钻石晶体中由单原子杂质构成并相距1.3公里的两个量子比特链接起来9。两个量子位发出的光子朝一个中间站传播，然后在中间站相互作用，建立纠缠。剑桥大学麻省理工学院的物理学家塞斯·劳埃德（Seth Lloyd）说：“这表明人们确实可以在两个遥远的量子信息处理器之间建立纠缠”强而可靠的纠缠。
研究人员正在研究其他构造和操纵量子位的方法，包括使用悬挂在真空中的单个离子（由门罗等人发明）和将原子与光子配对的系统，这些原子和光子在腔体内的两个反射镜之间反弹。
像汉森钻石系统一样，这些量子位可用于构建量子中继器和量子计算机。幸运的是，对于希望加强量子通信的人们来说，对中继器的要求可能不如对成熟的量子计算机的要求高。巴黎狄德罗大学的量子计算研究员Iordanis Kerenidis于去年9月在奥地利Seefeld举行的量子中继器研讨会上发表了这一观点。他说：“你告诉实验者，你需要1000量子比特，他们会笑的。”“你告诉他们你需要十个吗？”“他们笑得更少。”
创建量子互联网的前景现已成为系统工程的问题。奥地利因斯布鲁克大学的物理学家Tracy Northup说：“从实验的角度来看，人们已经证明了量子网络的各种构建块。”他的团队致力于腔量子位，并且是Wehner泛欧洲量子互联网联盟的成员。诺斯普普说：“把它们放在一起，”我们都看到了挑战。
目前，Wehner联盟仍处于初期阶段，正在寻找公共资金以及公司合作伙伴。同时，由Wehner与Hanson和荷兰研究组织TNO的联合系统工程师Erwin van Zwet共同领导的荷兰示范网络正在向前发展。汉森和他的同事一直在提高其系统的速度，该系统在2015年的实验中，在大约9天的时间内，仅纠缠了245个量子比特。另一个关键的挑战是将光子从钻石量子位发出的可见光波长可靠地转换为可以沿着光纤良好传播的更长的红外光子。这很棘手，因为新的光子仍然必须携带旧的光子的量子信息，但不能克隆它。今年早些时候，汉森和他的同事通过使光子与更长波长的激光束相互作用实现了这一目标。这项技术将使量子位能够通过光纤在数十公里的距离上链接。
汉森团队现在正在建立代尔夫特与海牙之间的联系，该海牙距离酒店10公里。研究人员希望到2020年，将四个荷兰城市连接起来，每个站点的一个站点充当量子中继器。如果成功，该项目将成为世界上第一个真正的量子运输网络。该小组旨在向有兴趣远程执行量子通信实验的其他团队开放，就像IBM Quantum Experience，它允许远程用户访问基本的量子计算机。
对于希望修复某些Internet缺陷的研究人员而言，该网络可能是一个试验床，尤其是用户可以轻松伪造或窃取身份的漏洞。电信设备巨头CISCO的网络工程师Robert Broberg在Seefeld会议上说：“从一开始，就可以建立网络而不建立身份的想法是一个问题。”Wehner和其他人提出了量子技术，该技术将允许用户通过证明自己拥有正确的密码（一系列经典位）而无需进行传输来证明自己的身份。取而代之的是，用户和服务器使用该代码创建一系列qubit，并将它们发送到两者之间的“空白框”。然后，黑匣子（可以说是自动取款机）可以比较两个序列以查看它们是否匹配，而无需知道底层代码。
但是一些研究人员告诫不要过度推销这项技术的潜力。瑞士日内瓦大学的物理学家，ID Quantique的联合创始人尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）说：“当今的互联网永远不会完全是量子的，计算机永远不会是全量子的。”人们可能希望通过量子网络实现的许多事情都可以通过更常规的技术来完成。加拿大滑铁卢大学物理学家诺伯特·吕特肯豪斯（Norbert LBrettkenhaus）说：“有时候，一开始看起来似乎是一个好主意，然后发现它很容易实现而没有量子效应”。为未来的量子互联网。
时间将证明量子互联网的前景能否实现。据我们所知，远距传送是一种现象，尽管在物理上是可能的，但自然界中不会发生。这对人类来说确实是新的。可能要花一些时间。
韦纳对物理和网络安全的熟悉使她成为该领域人员的参考点。在硬核量子理论上做了很多工作之后，她正在享受塑造这些未来网络的机会。她说，“或者我，”他真的是一个完整的圈子。
自然554，289-292（2018）
