2020年7月美國(guó)政府宣布了建設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)圖。這份報(bào)告稱(chēng)，基于量子力學(xué)的通信系統(tǒng)是“二十一世紀(jì)最重要的技術(shù)前沿之一”，科學(xué)家計(jì)劃借此建立一個(gè)“幾乎不可破解的網(wǎng)絡(luò)”。能夠更安全地控制和傳輸信息的量子互聯(lián)網(wǎng)目前處于發(fā)展初始階段，未來(lái)將對(duì)科學(xué)、工業(yè)及國(guó)家安全相關(guān)關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。量子互聯(lián)網(wǎng)可能首先在銀行和醫(yī)療服務(wù)等行業(yè)推廣，應(yīng)用于國(guó)家安全和航空通信領(lǐng)域，最終對(duì)全球每個(gè)人的生活產(chǎn)生廣泛影響。量子互聯(lián)網(wǎng)究竟是什么？《探索》雜志的記者Dan Hurley，深入科研一線(xiàn)進(jìn)行了觀(guān)察，本文是他的記錄，原文標(biāo)題《The Quantum Internet Will Blow Your Mind. Here’s What It Will Look Like》。

下一代互聯(lián)網(wǎng)將依靠革命性的新技術(shù)，帶來(lái)不可破解的網(wǎng)絡(luò)和比光速更快的信息傳播。

這就是“量子伊甸園”，在紐約市以東五十多英里的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室里，Eden Figueroa是量子世界的先驅(qū)園丁之一，他正在播下量子互聯(lián)網(wǎng)的種子。量子互聯(lián)網(wǎng)能夠在遙遠(yuǎn)的距離上發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，工作速度不僅比現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)快，而且比光速還快，事實(shí)上，就像《星際迷航》中斯波克和柯克船長(zhǎng)的傳送機(jī)的“遠(yuǎn)距傳送”一樣，是瞬間的。

坐在布魯克海文大學(xué)光線(xiàn)充足的食堂里，他那一頭齊肩的黑發(fā)正努力掙脫馬尾辮的束縛，F(xiàn)igueroa是一個(gè)土生土長(zhǎng)的墨西哥人，也是紐約州立大學(xué)石溪分校，他試圖解釋量子互聯(lián)網(wǎng)將如何運(yùn)作。他抓起兩個(gè)塑料咖啡杯蓋、一個(gè)鹽罐、一個(gè)胡椒罐和一小杯水，開(kāi)始像魔術(shù)師打牌一樣在午餐桌上移動(dòng)它們。

他指著兩個(gè)蓋子說(shuō)：“我這里有一個(gè)探測(cè)器，這里也有一個(gè)探測(cè)器”。“現(xiàn)在有許多可能性。要么這兩個(gè)放在這里”，他指著鹽罐，“要么這兩個(gè)放在那里”，對(duì)著那杯水點(diǎn)點(diǎn)頭。“然后根據(jù)那里發(fā)生的事情，那將是我在這里準(zhǔn)備的狀態(tài)，”他說(shuō)，舉起黑胡椒罐，“那是我在這里準(zhǔn)備的。”

一頭霧水嗎？我也一樣，但別擔(dān)心。在美國(guó)、歐洲和中國(guó)，只有幾百名左右的物理學(xué)家真正理解如何利用量子物理學(xué)中一些最奇怪、最前言的方面。在這個(gè)奇怪的舞臺(tái)上，物體可以同時(shí)以?xún)煞N或兩種以上的狀態(tài)存在，稱(chēng)為疊加態(tài)；它們可以在長(zhǎng)距離內(nèi)瞬間相互作用；它們可以閃進(jìn)閃出。像Figueroa這樣的科學(xué)家想利用這種奇異的行為，并將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)正常運(yùn)行的新時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)，他們說(shuō)，這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)將是堅(jiān)不可摧的，可以安全地發(fā)送信息，不受黑客的攻擊。

Figueroa說(shuō)，他的小組已經(jīng)利用光纖基礎(chǔ)設(shè)施在石溪校區(qū)和布魯克海文校區(qū)之間傳輸了他所謂的 “偏振態(tài)”（polarization states），加起來(lái)有85英里。布魯克海文實(shí)驗(yàn)室計(jì)算科學(xué)計(jì)劃主任Kerstin Kleese van Dam說(shuō)，這是“世界上最大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)之一，也是美國(guó)距離最長(zhǎng)的量子網(wǎng)絡(luò)”。

下一步， Figueroa 希望遠(yuǎn)距離傳送他的基于量子的信息，穿過(guò)長(zhǎng)島灣，到康涅狄格州的耶魯大學(xué)。然后，他想向東50英里，利用現(xiàn)有的光纜與長(zhǎng)島和曼哈頓連接。

Kleese Van Dam表示，雖然歐洲和中國(guó)的其他團(tuán)體擁有更多的資金，并且在技術(shù)上的研究時(shí)間更長(zhǎng)，但在美國(guó)，“［Figueroa］在未來(lái)一兩年內(nèi)組建量子網(wǎng)絡(luò)所需的知識(shí)和設(shè)備方面處于領(lǐng)先地位。”

David Awschalom是芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院自旋電子學(xué)和量子信息教授、芝加哥量子交換所所長(zhǎng)，他是該領(lǐng)域的傳奇人物，他稱(chēng)Figueroa的工作是“一個(gè)做得非常周到和非常好的夢(mèng)幻般的項(xiàng)目。我很少說(shuō)一些東西是‘最大’的或‘最快的’。”他說(shuō)。“這是目前世界范圍內(nèi)構(gòu)建原型量子網(wǎng)絡(luò)的努力，作為構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的下一步。” 他說(shuō)，其他構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的努力，正在日本、英國(guó)、荷蘭和中國(guó)進(jìn)行，更不用說(shuō)他自己小組在芝加哥的項(xiàng)目了。

美國(guó)能源部在1月份宣布，將花費(fèi)高達(dá)6.25億美元資助2至5個(gè)量子研究中心，這讓推動(dòng)了美國(guó)量子方面的努力。此舉是美國(guó)總統(tǒng)特朗普于2018年12月21日簽署的美國(guó)國(guó)家量子計(jì)劃的一部分。

但是，這個(gè)叫做量子互聯(lián)網(wǎng)的東西，到底是什么？它是如何運(yùn)作的呢？Figueroa著迷于他的設(shè)想，他以極具感染力的熱情向我講述他的計(jì)劃，時(shí)而大笑，仿佛這一切簡(jiǎn)單到一個(gè)孩子（或者文科生）都能理解。我不想讓他失望，就點(diǎn)了點(diǎn)頭，假裝自己知道他到底在說(shuō)什么。

在去年夏天和Figueroa一起度過(guò)了兩天，跟著他在布魯克海文的校園里和附近的石溪校園，得到了他的未來(lái)主義設(shè)備的第一手資料，與世界各地的其他物理學(xué)家交談，閱讀了幾本書(shū)，瀏覽了幾十篇文章和研究后，我開(kāi)始有點(diǎn)明白了。理解地不深，類(lèi)似與我弄明白了內(nèi)燃機(jī)如何運(yùn)作，或沖水馬桶是怎么運(yùn)作的，所以你也可以理解。

解開(kāi)量子糾纏

Figueroa把我領(lǐng)到他在石溪實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)房間，他是量子信息技術(shù)小組的負(fù)責(zé)人，向我展示了一張大桌子，上面布滿(mǎn)了由小鏡子、激光器和電子器件組成的迷宮。“這就是我們創(chuàng)造這些攜帶疊加的光子的地方。”他說(shuō)，“然后我們可以把這些光子送進(jìn)光纖。明白么？就這么簡(jiǎn)單。”

好吧，說(shuō)起來(lái)確實(shí)簡(jiǎn)單。

讓人好奇的是，量子互聯(lián)網(wǎng)的所有意義都可以追溯到一個(gè)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常簡(jiǎn)單，你可以在客廳里做。被稱(chēng)為雙縫實(shí)驗(yàn)（double-slit experiment），它是200多年前由英國(guó)博學(xué)家Thomas Young首次進(jìn)行的。

Young看到，當(dāng)用一束光照在一塊并排開(kāi)有兩個(gè)狹縫的平面材料板上時(shí)，通過(guò)狹縫的光在面板后面的屏幕上形成了一個(gè)由暗帶和亮帶組成的干涉特性圖案。只有從兩個(gè)狹縫中發(fā)出的波，光波，才能形成這樣的圖案。Young認(rèn)為，1704年發(fā)表光的粒子理論的牛頓是錯(cuò)誤的。光是以波的形式出現(xiàn)的，而不是以粒子的形式出現(xiàn)的。

但到了20世紀(jì)初，科學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)，光也是以粒子的形式出現(xiàn)的，物理學(xué)家吉爾伯特-N-路易斯稱(chēng)之為光子，或者說(shuō)是量子。而令人難以置信的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使單光子在雙縫板上一次一次地被送飛，另一邊仍然會(huì)出現(xiàn)干擾圖案。他們意識(shí)到，每一個(gè)粒子也是一種波，像奶油奶酪的碎片一樣散開(kāi)，因此同時(shí)穿越兩個(gè)狹縫，從而在另一邊干擾自己。

想一想，一個(gè)光粒子同時(shí)在兩個(gè)地方，這意味著在一個(gè)地方撓癢癢一個(gè)粒子，它在另一個(gè)地方也會(huì)傻笑。在一個(gè)地方觀(guān)察它，應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)它的雙胞胎的一些情況。Erwin Schr?dinger稱(chēng)這種現(xiàn)象為糾纏，正是Figueroa和其他研究人員現(xiàn)在利用它來(lái)發(fā)送信息的原因。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在一個(gè)位置的粒子上添加信息，如信息或數(shù)據(jù)，將使數(shù)據(jù)出現(xiàn)在另一個(gè)位置：遠(yuǎn)程瞬間傳輸?shù)谋举|(zhì)。

但是，我問(wèn)Figueroa，所有這些瘋狂的想法如何在實(shí)踐中發(fā)揮作用，用螺母和螺栓和機(jī)器設(shè)備？

“讓我告訴你，神奇的事情發(fā)生在哪里。”他說(shuō)。

量子記憶

“這只是設(shè)備和光學(xué)儀器。”他告訴我，指著一張大桌子上配置的激光器和鏡子陣列。“這就是人們所說(shuō)的成人樂(lè)高。”在一端，一個(gè)激光器將高能的藍(lán)色光子瞄準(zhǔn)一個(gè)晶體，它將每個(gè)晶體分解成一對(duì)能量較低的紅色光子；所產(chǎn)生的兩個(gè)紅色光子中的每一個(gè)現(xiàn)在都與另一個(gè)糾纏在一起。Figueroa指出了光子從鏡子到鏡子的路徑。“這就是為什么我們有這個(gè)美麗的系統(tǒng)，這是在工作，這也是有美感的。”他說(shuō)。

一旦糾纏在一起，一個(gè)紅色光子會(huì)被短距離地送到走廊下Figueroa實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)器上，而另一個(gè)則可以被送到十幾英里外的Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)器上。不同的距離會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)光子的到達(dá)時(shí)間稍微不同步，從而破壞它們的糾纏。為了防止這種情況發(fā)生，F(xiàn)igueroa必須找到一種方法來(lái)協(xié)調(diào)各方的到達(dá)時(shí)間，精確到亞納秒。

但怎么做呢？其他量子實(shí)驗(yàn)室將他們呆在家里的光子凍結(jié)到接近絕對(duì)零度，以此來(lái)踩剎車(chē)。相比之下，F(xiàn)igueroa的創(chuàng)新在室溫下就能工作：一個(gè)一英寸長(zhǎng)的玻璃管，里面有數(shù)萬(wàn)億銣原子的霧氣。第一天早上，當(dāng)我參觀(guān)Figueroa的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他把其中一根管子放在我手里。

“這是什么？” 我問(wèn)他。

他笑著說(shuō)：“量子記憶。”

Figueroa告訴我，早在他攻讀德國(guó)康斯坦茨大學(xué)博士學(xué)位時(shí)，他就曾問(wèn)過(guò)教授，是否可以建立一個(gè)在室溫下工作的系統(tǒng)，而不需要昂貴、復(fù)雜的冷凍機(jī)。

“我不認(rèn)為可能。”有人告訴他。“但你可以證明我錯(cuò)了。”

于是，他就這么做了。通過(guò)將光子從一系列精心放置的鏡子上彈射出去，并用激光網(wǎng)絡(luò)轟擊銣原子的霧氣，F(xiàn)igueroa發(fā)現(xiàn)，他可以調(diào)整糾纏光子的波長(zhǎng)，以廣播銣霧中的電子可以接收的信號(hào)。瞧！ 光子的糾纏狀態(tài)被瞬間轉(zhuǎn)移到整個(gè)原子云中。幾分之一納秒后，糾纏的光子繼續(xù)前進(jìn)，與它的孿生子在同一時(shí)刻到達(dá)探測(cè)器。

令人難以置信的是，自2012年完成博士學(xué)位以來(lái)，F(xiàn)igueroa已經(jīng)將整個(gè)容納量子記憶的系統(tǒng)微型化，變成了一個(gè)比隨身行李箱還小的便攜式設(shè)備，小到可以安裝在數(shù)據(jù)中心的普通計(jì)算機(jī)服務(wù)器機(jī)架上，如果量子互聯(lián)網(wǎng)要成為主流，這是一項(xiàng)至關(guān)重要的創(chuàng)新。正如他的同事和合作者Dimitrios Katramatos當(dāng)天晚些時(shí)候告訴我的那樣。“它們是便攜式的，對(duì)吧？所以，有一天我們把它們中的一些裝在一輛貨車(chē)上，從石溪帶到布魯克海文。”

“他開(kāi)著他妻子的面包車(chē)。”Figueroa笑著說(shuō)。“從那時(shí)起，我們就把它叫做量子面包車(chē)。”

糾纏交換

然而，另一個(gè)問(wèn)題依然存在，無(wú)論是Figueroa還是Katramatos（或者世界上任何其他量子工程師）至今都沒(méi)有完全想通：如何通過(guò)光纜成功地傳輸量子糾纏的光子，因?yàn)?0英里左右就會(huì)出現(xiàn)障礙，光子會(huì)無(wú)意中與電纜、其外殼甚至地面上的光線(xiàn)相互作用，從而破壞其糾纏。

Figueroa解釋說(shuō)，提出的解決方案是一種叫做“糾纏交換”的東西。全世界的量子工程師都在爭(zhēng)先恐后地將這個(gè)概念應(yīng)用到工作原型上。

“這個(gè)想法到現(xiàn)在已經(jīng)有20年了。”哈佛大學(xué)著名量子理論家和實(shí)驗(yàn)家米哈Mikhail Lukin說(shuō)。“到現(xiàn)在為止，還沒(méi)有人成功地制造出一個(gè)能夠用于實(shí)際應(yīng)用的。據(jù)我所知，這就是Figueroa的小組要做的事情。”

為了解釋他的計(jì)劃，F(xiàn)igueroa把我領(lǐng)進(jìn)一間小會(huì)議室，在那里，他把所有的計(jì)劃都畫(huà)在白板上。

“讓我給你看一些非常酷的東西。”他說(shuō)。

他解釋說(shuō)，與其只創(chuàng)建一對(duì)糾纏光子并試圖將其發(fā)送到100英里以外的實(shí)驗(yàn)室，不如在位于25英里和75英里處的兩個(gè)不同分站創(chuàng)建第二組糾纏對(duì)。這些分站將把一對(duì)光子中的一個(gè)光子射向?qū)Ψ剑硪粋€(gè)射向兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室中最近的一個(gè)。當(dāng)兩對(duì)光子中的每一對(duì)光子在50英里處相遇時(shí)，它們將發(fā)生糾纏，自動(dòng)糾纏遠(yuǎn)處實(shí)驗(yàn)室中的其他剩余光子。一旦這種糾纏被共享，F(xiàn)igueroa 想要發(fā)送的信息就可以被傳送到100英里外的實(shí)驗(yàn)室，克服障礙。

“你看到了嗎？”他充滿(mǎn)魅力的語(yǔ)氣說(shuō)。“很簡(jiǎn)單。”

量子未來(lái)

如果傳送的不僅僅是信息，不僅僅是消息，還包括粒子、分子、細(xì)胞甚至柯克船長(zhǎng)呢？當(dāng)1997年12月報(bào)道了第一個(gè)糾纏的實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，IBM物理學(xué)家Charles H. Bennett告訴《紐約時(shí)報(bào)》。“即使在細(xì)菌這樣的小東西上也完全不可行” （應(yīng)該指出的是，Bennett在四年前就創(chuàng)造了量子傳送一詞，所以你會(huì)認(rèn)為他是正確的）。

但21年后的2018年秋天，牛津大學(xué)的研究人員報(bào)告了正是Bennett所說(shuō)的“完全不可行”：活的細(xì)菌與光子的糾纏。然而，并不是所有的物理學(xué)家都被這一發(fā)現(xiàn)所說(shuō)服，因?yàn)樗鼈兪腔谂＝驁F(tuán)隊(duì)對(duì)另一個(gè)小組實(shí)驗(yàn)的分析。但是，沒(méi)有人知道量子革命會(huì)走多遠(yuǎn)，當(dāng)然Figueroa也不知道。

“這些設(shè)備會(huì)做的很多事情，我們還在努力想辦法。”他告訴我。“目前，我們只是試圖創(chuàng)造出能用的技術(shù)。真正遠(yuǎn)大的可能性還有待發(fā)現(xiàn)。”

在離開(kāi)他之前，我問(wèn)Figueroa，他的朋友、家人和鄰居是如何試圖理解他的神秘工作的。他給我講了一個(gè)關(guān)于他岳父的故事。當(dāng)Figueroa在德國(guó)進(jìn)行博士后研究的時(shí)候，他妻子的父親前來(lái)拜訪(fǎng)。在帶他參觀(guān)了兩個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)室后，F(xiàn)igueroa問(wèn)他對(duì)這一切有什么看法。

“你在里面說(shuō)的話(huà)我一句也沒(méi)聽(tīng)懂。”他岳父說(shuō)，“但我知道這是我見(jiàn)過(guò)的最神奇的東西。”

我也是感同身受。這就是我在拜訪(fǎng)Figueroa之前的感覺(jué)，通過(guò)電話(huà)反復(fù)詢(xún)問(wèn)他，閱讀他的論文，標(biāo)題很夸張，比如“一種單原子量子記憶 ”和 “擠壓光的量子記憶”。但在這一切之后，整個(gè)事情對(duì)我來(lái)說(shuō)開(kāi)始變得有意義了。我希望你現(xiàn)在也能明白，或多或少吧。
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