摘要：隨著近期美國Quantum Xchange量子互聯網項目的到位，加上更早之前中國、歐洲（荷蘭、英國等）、日本分別宣佈的建設量子互聯網項目，全球量子互聯網的競爭態勢將更加激烈。
互聯網的問世只不過幾十年的時間，已經極大地改變了人們的工作和生活方式，塑造了文明新樣態。下一步它又將如何"進化"？
量子互聯網將會是一個重要的方向。1900年，普朗克在研究黑體輻射發現了量子現象，時至今日, 量子通信正在從實驗室走向網絡世界。就在最近，美國的第一個大規模量子互聯網項目已經顯現雛形。
10 月 26 日，一家名為 Quantum Xchange 的創業公司表示，它已被允許接入沿美國東海岸運行的 500 英里（805 公里）光纖電纜，用以為美國創造該國的首個州際、商用量子密鑰分發（quantum key distribution (QKD)）網絡。
圖丨 Quantum Xchange 宣佈建設全美首個量子互聯網（來源：Quantum Xchange）
值得一提的是，隨著這一次的美國這個量子互聯網項目的到位，加上更早之前中國、歐洲（荷蘭、英國等）、日本分別宣佈的建設量子互聯網項目，全球量子互聯網的競爭態勢將更加激烈。那麼，未來誰又將率先建成這個極具想象力、也極具挑戰的全球首個量子互聯網？
美國最新量子互聯網項目：華盛頓到波士頓 800 公里的試驗田
美國的這次量子互聯網建設的主角是 Quantum Xchange，這是一家位於馬里蘭州貝塞斯達的量子通信提供商。Quantum Xchange 計劃在今年年底前啟動和運行量子網絡，並提供商業服務。
（來源：Quantum Xchange）
量子密碼學和量子網絡並不是什麼新概念，但近年來，量子密碼學和量子網絡已愈發成為人們關注的焦點，甚至被視為未來安全通信的救世主。量子通信基於量子物理的基本原理，以光子作為媒介，在兩端共享量子密鑰。量子物理的基本原理使得在不破壞光信道或完全複製密鑰的情況下截獲密鑰變得非常困難。這種量子密鑰分發 (QKD) 技術，是未來端到端加密技術的有力競爭者。
Quantum Xchange 的方法正是利用了 QKD 技術。根據他們的描述，和其他處於研發中的方案不同，基於他們的這種技術，Quantum Xchange 的量子網絡現在就可用，而且此方案彌補了目前加密技術中的一些不足之處。
（來源：Quantum Xchange）
傳統互聯網對於竊聽難以防範，因為今天的光纖中傳輸的仍然是經典比特，即代表 0 和 1 的電子或光脈衝流。竊聽者甚至可以不接入信道，就讀取和複製經典比特，不會留下任何痕跡。量子物理學則允許一個微粒——原子、電子或者光子——處於即是 0 又是 1 的疊加態。該粒子稱為量子比特。讀取該比特的嘗試會導致該量子比特坍縮為 0 或者 1。這意味著竊聽者如果試圖竊聽量子比特，就會毀壞信息，從而被通信雙方發現。量子疊加態這一特性已經被 QKD 技術所利用，即數據通過傳統互聯網發送，而解密用的密鑰通過量子網絡傳送。
（來源：Quantum Xchange）
而 Quantum Xchange 使用的 QKD 方法通過以經典比特發送編碼消息來工作，而解碼它的密鑰以量子比特的形式發送。
Quantum Xchange 首席執行官 John Prisco 表示，在"量子計算機前所未有的威力成為攻擊性武器"之前，建立一個量子密鑰分發網絡作為防禦措施是"至關重要的"。
圖丨 John Prisco（來源：Quantum Xchange）
在具體的操作過程中，Quantum Xchange 選擇與美國的光纖網絡巨頭 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後臺業務建立交流成為可能。Quantum Xchange 認為，高端投資者是最初的目標市場，但公司希望擴展到其他行業，例如從醫療保健到基礎設施建設的其他行業，他們都能儘快利用該網絡實現自己的安全通信。
"到時候，在波士頓的公司將能夠向華盛頓特區甚至更遠的的合作伙伴發送安全通信。我們的目標是繼續購買已經部署於全國的光纖，這樣我們就可以部署一個為整個國家服務的安全的量子網絡"，Prisco 說。
此外，Prisco 還提到，歐洲已經在建立小規模量子網絡方面取得了一些成功，但現有的"缺點"讓將該系統引入美國變得更加困難。他的公司使用可信節點技術，在更遠的距離內點對點傳遞量子密鑰數據，從而使在更廣闊的地理空間上擴展量子網絡變得更容易。
但是，由於 Quantum Xchange 具體公開的技術細節並不多，其能否實現它所宣稱的這些效果，仍有待進一步驗證。
荷蘭 QuTech 量子互聯網：2020 年完成 4 城互聯
和 Quantum Xchange 近日才顯山露水的量子互聯網項目不同，歐洲雄心勃勃的量子互聯網建設已經接連公開多項最新進展，因此，在 Quantum Xchange 這一次之前，不少人認為，全球首個商用量子互聯網或將在荷蘭誕生。
歐洲量子互聯網建設中的核心成員是來自荷蘭的 QuTech。這是一家研究量子科學的頂尖學術機構，由荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）和荷蘭應用科學研究機構（TNO）共同運作，QuTech 同時還是英特爾公司的研發合作伙伴。
近日，《麻省理工科技評論》編輯 Martin Giles 受邀前往 QuTech 的辦公室，在那裡，QuTech 的三位科學家向我們獨家揭示了量子互聯網如何發展的路線圖。他們計劃構建出代爾夫特和其他 3 個荷蘭城市之間的量子互聯網，給出的時間表是 2020 年 。
圖丨斯蒂芬妮·維爾納和羅納德·漢森（來源：QuTech）
QuTech 的研究人員在斯蒂芬妮·維爾納（Stephanie Wehner）和羅納德·漢森（Ronald Hanson）的領導下，正在努力克服一系列技術難題，推進項目。如果成功，該項目有望成為下一代量子互聯網的樣板，就像 1960 年代美國國防部創建的 Arpanet 成為今天互聯網的前身一樣。
目前的量子密鑰分發仍然存在侷限性。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。例如，中國建立的北京-上海密鑰分發網絡為了解決這個問題，設立了 32 個可信節點，承擔信號的中繼任務。為了實現中繼，密鑰必須被解碼，然後重新以量子技術加密，再發送出去。顯然，竊聽者只要滲透可信節點，就可以獲取密鑰而不留下任何痕跡，因此"可信節點"並不完全可靠。
維爾納和漢森領導的 QuTech 研究團隊意圖克服此侷限，建立完全以量子技術進行數據傳輸的互聯網。他們依靠的物理原理是"量子隱形傳態"（quantum teleportation）。儘管該原理聽上去有點科幻，但是基於量子糾纏、量子隱形傳態確確實實可以實現。
量子糾纏指 2 個量子比特——在光纖中是光子——以單一量子態被創造出來。這兩個量子比特即使被分離，它們之間仍然能保持聯繫。改變其中一個量子比特的狀態，另一個與之糾纏的量子比特的狀態也會同時隨之改變，
不管相距多遠。愛因斯坦將這種現象稱為"幽靈般的超距作用"。
圖丨量子隱形傳態工作原理（來源：MS TECH）
當前，有很多方法可以產生糾纏態的量子比特。漢森領導的 QuTech 硬件創新團隊使用包含特定氮空缺的顯微合成鑽石來製造量子比特，鑽石中的缺陷能產生可以長距離傳輸的光子。
然而，該方案面臨巨大的科學和工程挑戰。漢森表示，他們對長距離糾纏做了很多實驗，但是絕大多數方案都不夠理想。由於兩個城市之間的光纖鏈路可能要繞行很遠，因此必須製造出存活距離遠遠超過兩個城市之間直線距離的糾纏光子。
當然，研究團隊還是取得了相當的進展。2015 年，漢森團隊成功將 2 個糾纏態量子比特發送到相隔 1300 米遠的地方。不過，這種發送每小時只能進行 1 次，且每次發送後，量子比特糾纏態的存續時間遠遠小於 1 秒。2015 年 6 月，該團隊聲稱，他們已經能將 2 個電子發送到相距幾米的 2 個地方，而且每秒鐘可以進行 40 次發送。這次實驗證明，滿足實際需要的量子糾纏網絡是可能建立起來的。
圖丨 QuTech 量子互聯網規劃示意圖（來源：MS TECH）
但是，實驗室中實現糾纏光子的分發是一回事，在現實世界中將其實現又是另外一回事。其中的技術挑戰包括以足夠的頻率發送糾纏態光子（傳輸速率）和讓光子的存活距離足夠遠（相干性）。後者需要用激光器來產生波長較長的光子，以便讓光子在光纖中傳輸得更遠。
荷蘭看上去是實現全球量子網絡雄心的合適起步地點，因為其城市之間的距離很近。然而，在可預見的將來，全球量子網絡的實現可能必須要依靠量子中繼技術。當然，與中國等國家目前採用的"可信節點"不同，量子中繼技術無需進行量子信息到經典信息的轉換，就可以實現量子信息中繼，從而徹底消除秘密竊聽的可能性。
QuTech 始終以 2020 年完成 4 個城市之間的互聯量子網絡為目標，儘管維爾納承認這個截止時間"太緊張"。QuTech 的工作對新近發起的"歐洲量子互聯網聯盟"（Quantum Internet Alliance (QIA)）項目產生了很大影響。維爾納也正在積極尋求合作伙伴，意圖建立一個"能令地球上任意兩點之間實現量子通信的全球網絡"。
全球量子互聯網競賽方興未艾
早在 2016 年 11 月 5 日，中科院院士潘建偉表示，中國計劃用 15 年左右時間，構建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯網，即量子互聯網。
而在過去幾年，中國同樣在 QKD 技術方面取得了令人矚目的成就 ：2017 年，分別位於北京和維也納的 2 個地面站藉助"墨子"號量子技術試驗衛星實現了密鑰傳輸，用於解密通過傳統互聯網發送的加密視頻。在這個過程中，任何試圖竊聽密鑰的做法都會毀壞密鑰，導致視頻無法被解密；除了"墨子"號衛星，中國還建立了北京和上海之間的地面量子密鑰分發網絡——"京滬量子幹線"，全程2000餘公里，為銀行和其他企業提供敏感數據安全傳輸服務。兩者結合，標誌著我國在全球已構建出首個天地一體化廣域量子通信網絡雛形。
圖丨被 Nature 譽為"中國量子之父"的潘建偉（來源：Nature）
潘建偉和維也納大學的 Anton Zeilinger 教授領導的兩個研究組，目前也正在開展合作創建第一條連接亞洲和歐洲的跨洲際量子通信網絡。如果這一目標得以實現，兩國的科學家將在全球建立起量子互聯網的第一條連接。除此之外，中國也在計劃建立珠海和香港之間的無"可信節點"的量子通信網絡。考慮到"墨子"號衛星和之前北京-上海量子網絡的構建速度，這一計劃同樣值得期待。
看到這裡，或許有人會問，量子互聯網究竟會給我們的生活帶來什麼改變？儘管量子密碼學已經存在多年，但直到最近科學家和才將這項技術應用於實際應用，而量子互聯網很有可能開啟經典通信方式無法實現的廣泛應用場景，包括將量子計算機連接在一起；使用遠距離分佈的天文臺打造超高分辨率望遠鏡；甚至獲得探測引力波的新方法。正如 Nature 雜誌網站在其近日的報道中所說的，利用量子物理學獨特效應的量子互聯網將與我們今天使用的經典互聯網大相徑庭 。
還有業內人士認為，量子互聯網甚至來會取代目前的互聯網體系。維也納大學物理學家 Anton Zeilinger 就是其中一員，他表示："我個人認為，未來的通信即使不是全部也會絕大部分都基於量子。"1997 年，他領導了首批基於量子隱形傳態的實驗之一。
但我們需要清除地意識到，無論是 Quantum Xchange、QuTech 還是潘建偉團隊，他們都在致力於建成量子互聯網這一目標，
但都距離實現它都還有一定距離。奧地利因斯布魯克大學教授川西·諾斯普（Tracy Northup）特別表示，關於量子互聯網有很多美好的設想，但是目前連實驗室驗證都沒實現。但假如量子互聯網得以實現，背後也會引發一系列問題。無法被秘密竊聽的量子互聯網是對所有人都開放呢，還是大公司和政府的特權領域？此外，政府是否會要求量子互聯網必須給政府留下監聽後門，就像今天在軟件和手機中留下後門一樣？
參考：
https://www.technologyreview.com/s/612342/us-unhackable-quantum-networks/
https://www.technologyreview.com/s/612327/europes-quest-for-an-unhackable-quantum-internet/
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