芝加哥现在有一个 124 英里的量子网络。这就是它的用途。

本月初，芝加哥的一组研究实验室公布了一条长达 124 英里的量子网络，该网络从莱蒙特郊区穿过芝加哥市，再延伸到海德公园附近，然后再返回。该网络的总长度包括一段新增的 35 英里长的光纤，该光纤最近连接到美国能源部阿贡国家实验室于 2020 年启动的 89 英里量子环路，连接芝加哥量子交易所和芝加哥大学的实验室。

建立这样一个网络的目的是让研究人员能够试验新型量子通信、安全协议和算法，目标是向初步的量子互联网迈进（这很可能看起来像传统互联网的早期版本）。目前，东芝正在使用它在经历噪音、天气和温度波动等因素的环境中测试他们的分布式量子加密密钥，以了解这种方法的稳健性以及可能出现哪些潜在问题。

到目前为止，研究人员已经能够以每秒 80,000 个量子比特（或量子位——下文将详细介绍）的速度发送信息。这些实验密钥在未来可能会派上用场，因为强大的量子计算机可能会破坏传统加密，而这个问题已引起国会议员的关注。

随着更大型的量子计算机开始出现，研究人员正在积极探索利用量子物理定律建立防篡改和防黑客通信通道的方法。这种通信通道也可能成为一种将量子设备“连接”在一起的方法。

“假设你有一台量子计算机，其量子比特数高达 1,000。而你还有第二台量子计算机，其量子比特数也只有 1,000。你想像我们今天通过集群构建超级计算机一样将它们连接在一起，但你不能只使用传统线路连接计算机。你需要一条量子线路来保持两台机器的量子状态，”芝加哥大学教授、阿贡国家实验室高级科学家 David Awschalom 说道。“因此，量子通信通道就是实现这一点的一种方法——基本上就是建立一种让两个量子电路相互通信的方式，而无需进入传统世界。”

探索量子通信的可能性

因为这是量子世界，所以事情的运作方式略有不同。首先，要使物体表现出量子特性，它们必须非常冷或非常小。芝加哥选择了小。

“当今许多商用量子机器通常都是超导体，因此它们必须具有极低的温度，”Awschalom 说。“量子通信使用光子，光的偏振对信息进行编码。”这意味着网络可以在室温下运行。

使用光子意味着他们也可以使用当今传统通信所用的光纤。但问题就在这里。光纤是由细玻璃丝制成的，而玻璃有缺陷。当单个光子或光脉冲沿光纤传播时，它可以顺利进行一段时间，但随着时间和距离的增加，信号的幅度会缩小，因为光会散射杂质。对于传统的互联网，解决方案是中继器。这些拇指大小的设备每隔 50 英里左右放置一次，以放大信号并将其发送出去。

量子世界有着复杂的规则。与经典比特不同，量子比特不是 0 或 1。它们是两者的叠加，这意味着它们可以是 0、1 或同时是 0 和 1。您可能会看到一个量子比特被描绘成一个球体，球体中心有一个箭头。您无法复制量子态（参见不可克隆定理），查看或观察它会使其脱离叠加态，因此您会破坏量子比特。（这带来的好处是它使量子链接具有防篡改功能）。

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量子信号仍可通过光纤在城市中传输，无需中继器。不过，未来有一些想法可以扩大其范围。一种方法是通过空气传输到卫星，然后再返回（中国研究人员正在这样做）。但在空气中，光也会被水分吸收，许多光子无法返回地球（NASA 正在尝试看看他们能否提高太空中纠缠光子的稳定性）。使用光纤，您可以调整信号，可以看到信号的位置，并且可以同时发送多个频率的信号。此外，您还可以利用现有的基础设施。Awschalom 设想，未来的量子网络将同时利用光纤和卫星通信，也许光纤用于短距离，卫星用于长距离。

另一个想法是采用一种称为纠缠交换的技巧。这就是不同节点发挥作用的地方（芝加哥的网络目前有六个节点）。节点不是指拥有数百个量子比特的庞大量子计算机。在大多数情况下，它们是一种量子存储器，Awschalom 将其比作一台微型、简单的量子计算机。你可以输入信息，也可以将其取出。

“假设我几乎无法将我的 [量子] 状态发送给你。你想将它发送给另一个地方的其他人。但我们没有中继器，”他说。“你也许可以做的是，在不查看纠缠信息是什么的情况下获取它，将其放入内存中，然后你可以将其交换成其他东西。”

量子密钥的工作原理

创建用于加密信息的量子密钥是通过纠缠进行量子通信的实际应用。纠缠粒子的行为就像它们连接在一起一样，无论它们相距多远。这意味着如果你观察一个粒子，它会改变另一个粒子，如果你观察两个粒子，它们的测量结果就会相关。一旦你建立了纠缠，分配纠缠状态，并在距离和时间上保持它，你就可以利用该属性即时传递信息。

经典密钥的工作原理类似于信息密码，由用于加密信息并确保其安全的算法生成。这些算法通常包含一个数学函数，该函数可以很容易地单向求解，但很难（但并非不可能）进行逆向工程。

“实际上，制作防篡改的密钥非常困难，因为你既不能逆向推导密钥的生成方式，又很难阻止他人复制密钥，”Awschalom 说道，“而且你不知道是否有人复制了它。”

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量子密钥是通过量子力学生成的，发送者和接收者之间分发的密钥对通过量子纠缠紧密相连。在芝加哥实验中，量子密钥通过光子发送，光子的属性经过调整（通过偏振方向等因素）以对比特进行编码。没有人可以在不破坏量子信息的情况下复制或拦截密钥。

量子密钥可以由一串量子比特组成。“量子密钥是基态的函数。你有一个坐标系来读取它，”Awschalom 解释道。“你的‘比特’和我的‘比特’是相关的。所以它与传统密钥非常不同。如果有人扰乱了你的密钥，它也会扰乱我的密钥。根据我收到密钥的方式，我还可以确定你已经收到了它。”

新技术的试验台

尽管量子领域被大肆宣传，但它仍处于早期阶段。这意味着研究人员还不确定什么会奏效，什么不会。该网络将探索这种模糊性，部分原因是芝加哥不同实验室的不同节点都在尝试不同的策略。“例如，目前我们有一个冷原子实验室作为节点之一，因此你可以实际获取量子通信信息，并将其放入一个简单的捕获原子中，然后将其提取出来，”Awschalom 说。他的实验室是网络中的另一个节点，正在整合元素周期表中的磁性原子来存储和发送量子信息。另一个实验室正在研究超导体。“每个节点都旨在放大不同的技术理念，”他说。

他们还计划向外部研究人员和公司开放该网络，让这些研究人员和公司能够进入该网络，插入并测试他们的原型设备和探测器，然后运行它们。

量子密钥只是分布式纠缠可能性的开始。“当你考虑以不同的方式分发信息时，你可以做更多的事情，”Awschalom 表示，以全球环境感知为例。“今天我们主要使用传统传感器探测世界，但世界是量子力学的。这确实引出了一个问题——我们看不到什么，只是因为我们从未观察过？通过这些传感技术和将传感器连接在一起的方法，我相信我们将学到很多东西。”