互聯(lián)網(wǎng)的問世只不過幾十年的時(shí)間，已經(jīng)極大地改變了人們的工作和生活方式，塑造了文明新樣態(tài)。下一步它又將如何“進(jìn)化”？量子互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)是一個(gè)重要的方向。

10月26日，一家名為 Quantum Xchange的創(chuàng)業(yè)公司表示，它已被允許接入沿美國東海岸運(yùn)行的 500 英里（805 公里）光纖電纜，用以為美國創(chuàng)造該國的首個(gè)州際、商用量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution(QKD)）網(wǎng)絡(luò)。

美國最新量子互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目：華盛頓到波士頓 800 公里的試驗(yàn)田

美國的這次量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的主角是Quantum Xchange，這是一家位于馬里蘭州貝塞斯達(dá)的量子通信提供商。Quantum Xchange 計(jì)劃在今年年底前啟動(dòng)和運(yùn)行量子網(wǎng)絡(luò)，并提供商業(yè)服務(wù)。

Quantum Xchange 利用了量子密鑰分發(fā)(QKD) 技術(shù)，這是未來端到端加密技術(shù)的有力競爭者。根據(jù)他們的描述，和其他處于研發(fā)中的方案不同，基于他們的這種技術(shù)，Quantum Xchange 的量子網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在就可用，而且此方案彌補(bǔ)了目前加密技術(shù)中的一些不足之處。 Quantum Xchange 使用的 QKD 方法通過以經(jīng)典比特發(fā)送編碼消息來工作，而解碼它的密鑰以量子比特的形式發(fā)送。

在具體的操作過程中，Quantum Xchange 選擇與美國的光纖網(wǎng)絡(luò)巨頭 Zayo 合作，共同“改造”波士頓和華盛頓之間的一段光纖，幫助華爾街的金融家們與在新澤西州附近的后臺(tái)業(yè)務(wù)建立交流成為可能。

但是，由于 Quantum Xchange 具體公開的技術(shù)細(xì)節(jié)并不多，其能否實(shí)現(xiàn)它所宣稱的這些效果，仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

荷蘭 QuTech 量子互聯(lián)網(wǎng)：2020 年完成 4 城互聯(lián)

歐洲量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的核心成員是來自荷蘭的 QuTech。這是一家研究量子科學(xué)的頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）和荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)（TNO）共同運(yùn)作。

QuTech 計(jì)劃構(gòu)建代爾夫特和其他 3個(gè)荷蘭城市之間的量子互聯(lián)網(wǎng)，給出的時(shí)間表是 2020 年。

目前的量子密鑰分發(fā)仍然存在局限性。光子在大氣層和光纖中的傳輸總是存在衰減，因此傳輸距離通常無法超過幾十千米。

維爾納和漢森領(lǐng)導(dǎo)的 QuTech 研究團(tuán)隊(duì)意圖克服此局限，建立完全以量子技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)。他們依靠的物理原理是“量子隱形傳態(tài)”（Quantum Teleportation）。盡管該原理聽上去有點(diǎn)科幻，但是基于量子糾纏、量子隱形傳態(tài)確確實(shí)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前，有很多方法可以產(chǎn)生糾纏態(tài)的量子比特。漢森領(lǐng)導(dǎo)的 QuTech 硬件創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)使用包含特定氮空缺的顯微合成鉆石來制造量子比特，鉆石中的缺陷能產(chǎn)生可以長距離傳輸?shù)墓庾印?/p>

然而，該方案面臨巨大的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)。由于兩個(gè)城市之間的光纖鏈路可能要繞行很遠(yuǎn)，因此必須制造出存活距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兩個(gè)城市之間直線距離的糾纏光子。

當(dāng)然，研究團(tuán)隊(duì)還是取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。2015 年 6 月，該團(tuán)隊(duì)聲稱，他們已經(jīng)能將 2 個(gè)電子發(fā)送到相距幾米的 2 個(gè)地方，而且每秒鐘可以進(jìn)行 40 次發(fā)送。這次實(shí)驗(yàn)證明，滿足實(shí)際需要的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)是可能建立起來的。

QuTech 的工作對新近發(fā)起的“歐洲量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”（Quantum Internet Alliance (QIA)）項(xiàng)目產(chǎn)生了很大影響。維爾納也正在積極尋求合作伙伴，意圖建立一個(gè)“能令地球上任意兩點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)量子通信的全球網(wǎng)絡(luò)”。

全球量子互聯(lián)網(wǎng)競賽方興未艾

在過去幾年，中國同樣在 QKD 技術(shù)方面取得了令人矚目的成就：2017 年，分別位于北京和維也納的 2 個(gè)地面站借助“墨子”號(hào)量子技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了密鑰傳輸，用于解密通過傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的加密視頻。在這個(gè)過程中，任何試圖竊聽密鑰的做法都會(huì)毀壞密鑰，導(dǎo)致視頻無法被解密；除了“墨子”號(hào)衛(wèi)星，中國還建立了北京和上海之間的地面量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)——“京滬量子干線”，全程2000余公里，為銀行和其他企業(yè)提供敏感數(shù)據(jù)安全傳輸服務(wù)。兩者結(jié)合，標(biāo)志著我國在全球已構(gòu)建出首個(gè)天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形。

潘建偉和維也納大學(xué)的 Anton Zeilinger教授領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究組，目前也正在開展合作創(chuàng)建第一條連接亞洲和歐洲的跨洲際量子通信網(wǎng)絡(luò)。如果這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，兩國的科學(xué)家將在全球建立起量子互聯(lián)網(wǎng)的第一條連接。除此之外，中國也在計(jì)劃建立珠海和香港之間的無“可信節(jié)點(diǎn)”的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

但我們需要清楚地意識(shí)到，無論是Quantum Xchange、QuTech 還是潘建偉團(tuán)隊(duì)，他們都在致力于建成量子互聯(lián)網(wǎng)這一目標(biāo)，但距離實(shí)現(xiàn)它都還有一定距離。