我们为什么需要量子互联网_

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光子盒研究院出品

量子计算机在40年前就被提出，但是还没有在世界上产生任何真正的影响。研究人员正在努力从必须保持接近绝对零度的系统中获得大量的处理能力。

但与此同时，量子信息学界已经在努力超越单个量子计算机的下一步：一个可以将它们连接在一起工作的互联网。

你已经可以在互联网上与大量的实验量子计算机交流了。例如，亚马逊的AWS Braket允许你在不同的量子处理器(D-Wave、IonQ或Rigetti)上构建和测试量子算法，或者使用模拟器。微软在Azure上做了类似的事情，IBM也让用户体验他们的量子系统。

任务完成了吗？没有。

共享独立量子计算机的输出是一回事；将量子计算机连接起来是另一回事。

量子计算的力量在于拥有大量的量子比特，量子比特的值直到计算结束才确定。如果你能把这些“活的”量子比特联系起来，你就把量子计算机的内部联系起来了，你实际上创造了一个更大的量子计算机。

“很难建造足够大的量子计算机来解决真正的大问题，”互联网创始人之一Vint Cerf在接受采访时说。

这个问题更难，因为量子世界会产生错误：“你需要大量的物理量子比特来制造数量少得多的逻辑量子比特——因为纠错需要大量的物理量子比特。”

所以，我们确实需要让我们的量子计算机变得更大。

但我们希望链接“活的”量子比特，而不仅仅是共享量子计算机的输出。我们想要在不破坏波函数的情况下，分布计算机的内部状态，这意味着分配纠缠。

量子互联网意味着获取量子效应，并通过网络进行分配。这被证明是非常复杂的——但是可能非常强大。

在谷歌工作的Cerf说：“纠缠的分配将促进量子计算机的扩展，理论上，如果你能将纠缠分配到更多不同的量子机器上，你就可以制造出更大的量子系统。”

但是有一个问题。

有几种方法可以为量子计算机的发展构建量子比特，包括超导约瑟夫森结、俘获离子量子计算机和基于光子的计算机等。它们都有一个共同点，它们必须与外界隔离，才能发挥作用。

量子比特必须保持一种量子相干的状态，在这种状态下，所有的量子态都可以存在，就像薛定谔著名的悖论中的猫一样，既死又活——只要箱子保持关闭。那么如何和一个密封的箱子沟通呢？

像谷歌这样的科技公司和世界各地的大学都在探索量子互联网。

欧洲有量子互联网联盟(QIA)，由包括QuTech在内的多个大学和机构组成，美国有Q-Next，这是美国国家量子信息科学计划，由芝加哥大学教授David Awschalom领导。

美国能源部认为这个问题很重要，并应该提供资金，并支持Q-Next的主要合作伙伴阿贡国家实验室的项目。Q-Next已经通过52英里的光纤链路共享了量子态，这条光纤链路已经成为未来可能的国家量子互联网的核心。

欧洲的QIA也取得了一些成功，包括第一个连接三台量子处理器的网络，量子信息通过QuTech量子信息学研究所创建的中间节点传输。马克斯·普朗克研究所(另一个QIA成员)利用单个光子共享量子信息。

在美国阿贡国家实验室，来自芝加哥大学的科学家Martin Suchara的量子通信研究得到了美国能源部的资助。但他承认了传输量子信息的困难。

Suchara说：“不可克隆定理说，如果你有一个量子态，你不能复制它，这确实是一个很大的工程挑战。”

随着大量工作的进行，我们开始看到量子互联网的端倪。

但除了技术上的困难，还有另一个风险。所有这些机构都可以创建几个不兼容的量子互联网。这将背叛最初的互联网理念。

互联网以“粗略共识和运行代码”而闻名。工程师们在将它们固定下来之前，确保它们能够工作，并且可以在多个系统中复制。

35年来，确保代码运行的机构一直是互联网工程任务组(IETF)。它是为我们的环球神经系统(global nervous system)制定标准的机构。

自从互联网出现以来，IETF已经发布了被称为“RFC”(征求意见)的标准。这些标准定义了网络协议，确保你的电子邮件和视频聊天可以被其他人接收。

如果我们想要有一个量子互联网，我们将需要一个RFC来规定量子计算机如何通信。

现在，对于IETF的实践工程师和协议设计师来说，这太不切实际了。因此，量子互联网的先驱们把他们的想法带到了IETF的姐妹组织——前瞻性互联网研究任务组(IRTF)。

IRTF有一个量子互联网研究小组(QIRG)，有两个主席：日本庆应义塾大学教授Rodney Van Meter和代尔夫特QuTech的Wojciech Kozlowski。QIRG一直在悄悄地关注着将引入全新的网络建设方式的发展。

QIRG的文件《量子互联网的架构原理》(Architectural Principles for a Quantum Internet)提到：“正是量子比特的传输在真正的量子网络和通过经典网络连接的量子计算机集合之间划清了界限，量子网络被定义为一组节点，这些节点能够相互交换量子比特并分配纠缠态。”

这项工作引起了轰动。Kozlowski说，在新冠肺炎让IETF暂停面对面会议之前，QIRG聚会吸引了相当多的人参加，“但更多的是出于好奇。”

量子网络的基本原理是分配纠缠，这可以用来在不同位置之间共享量子比特的状态。

Suchara解释说：“诀窍在于，你不直接传输对你来说如此珍贵的量子态：你分配纠缠。两个光子纠缠在一起，处于一个明确的状态，基本上将它们联系在一起。然后你通过网络传输这对光子中的一个。”

他继续说：“一旦你在通信的端点之间分配纠缠，你就可以使用所谓的量子隐形传态来传输量子态。它本质上是消耗了纠缠，将量子态从A点传输到B点。”

Kozlowski说：“量子数据本身从未实际进入网络。它被直接传送到远端。”

Kozlowski指出，传输量子比特令人兴奋，但分配纠缠是最基本的事情。

“例如，量子密钥分发可以在基于纠缠的网络上运行，而无需任何隐形传态，许多其他应用也是如此。大多数量子应用协议都是从说‘我有一堆状态’开始的，隐形传态只是使用这些状态的一种方式。”

2020年底，Kozlowski与代尔夫特的同事合著了一篇论文，提出了一个量子互联网协议，该协议通过将分配纠缠置于一个类似于分层堆栈(OSI或TCP/IP)的框架中，定义了经典网络上的通信，从而开创了一个重要的先例。

他告诉我们：“我们提出的协议栈很大程度上受到了TCP/IP或OSI的启发。每一层的定义略有不同，但在底部有一个物理层，它试图产生纠缠。”

“尝试”这个词很重要，他说：“很多时候都会失败。然后，我们有一条链路负责在两个量子中继器或一个端节点和一个量子中继器之间的单个链路上运行。物理层会说‘我失败了’，或者‘我成功了’。链路层将负责管理，最终说，‘嘿，我为你创造了纠缠’。”

该协议必须跟踪不同节点上纠缠的量子比特，这就带来了一个并行网络通道：“分配纠缠的一个重要方面是，最终形成纠缠对的两个节点必须同意它们的哪些量子比特与哪些量子比特纠缠。不能随意使用任何纠缠的量子比特。”

“人们必须能够在协议中识别一个节点上的哪个量子比特与另一个节点上的哪个量子比特纠缠在一起。如果不跟踪这些信息，那么这些量子比特就毫无用处。”

“假设这两个节点生成数百个纠缠对，但其中只有两个是指定给特定应用的，那么该应用必须从协议栈中获得正确的量子比特。而且那两个量子比特必须是相互纠缠的，而不仅仅是另一个节点上的任何随机量子比特。”

经典互联网必须像这样传输协调信号，但它可以将它们放在每个数据包的报头中。这在量子互联网上是不可能发生的，所以“报头”信息必须在一个平行的通道上。

“对量子来说，软件和网络协议之所以困难，是因为人们可以想象一个数据包，它有一个量子比特作为有效载荷，并有一个报头。但它们永远不会在同一个通道上传输。量子比特在量子通道上传输，而报头在经典通道上传输。”

Kozlowski说：“在参与量子网络的所有节点之间建立经典信道是一个困难的要求。”

在其协议设计中，代尔夫特团队利用经典互联网上的报头与量子互联网上的量子有效载荷不对应的机会，Kozlowski说:“我们选择了一种稍有不同的方法，在这种方法中，信令和控制消息不直接耦合。我们确实有包含控制信息的数据包，就像报头一样。然而，不同的是，它们不一定有一个有效负载连接到它们。”

在实践中，这意味着量子互联网将始终需要经典互联网来携带报头信息。每个量子节点也必须在经典互联网上。

因此，量子互联网将在量子平面上拥有量子信息，而控制平面将在经典互联网上并行运行，处理完成量子比特纠缠分配所需的经典数据。

代尔夫特的提议保持了通用性，将远程传输放在最上面，作为一个在量子互联网上运行的应用程序，而不是作为一个较低层的服务。Kozlowski说，早期的想法建议在传输层中包含隐形传输，但“我们还没有提出这样的传输层，因为许多应用甚至不需要隐形传输量子比特。”

代尔夫特的论文提出了一种传输层，它只是直接在纠缠对上操作，以提供远程操作等服务。

在阿贡国家实验室，Suchara的项目着眼于标准工作，并同意这些原则：“量子互联网协议栈应该是什么样的？”他问道。“它很可能在某些方面类似于OSI模型。将会有多个层次，最低层的某个协议部分将必须控制硬件。”

像Kozlowski一样，他看到了底层管理中继器节点中的光子探测器和量子存储器。

在此之上，他说，“最顶层是应用程序。为了量子隐形传态的成功，你必须采取某些行动。这是最顶层。”

“然后中间有所有的东西，让光子穿过网络。如果你有一个复杂的拓扑结构，有多个网络节点，你想要超越点对点的通信；你需要多个用户和多个应用程序。”

Suchara说，整理中间层会产生许多开放性问题:“如何有效地完成这项工作？这就是我们想要回答的。”

在这个阶段几乎没有分歧的风险，但在代尔夫特，Kozlowski的同事们，包括量子网络的领导者Stephanie Wehner，实际上已经开始编写最终量子互联网的代码。在写这篇文章的时候，QuTech的研究人员发表了一篇论文《使用量子网络堆栈进行纠缠传输的实验演示》。“我们的结果标志着从物理实验到量子通信系统的明显转变，这将使未来量子网络的组件的开发和测试成为可能。”

将此付诸实践带来了下一系列问题。分配纠缠依赖于光子，量子互联网研究人员将其称为“飞行量子比特”，将它们与最终系统中的静止量子比特(称为“物质量子比特”)进行对比。

光子的使用听起来让人放心。这是光。这和我们在经典互联网上通过光缆传输的东西是一样的。实验室中主要的量子比特技术之一是基于光子的。

但是这里有一点不同。首先，我们在量子尺度上工作。通过经典网络发送的一个比特将是一束光，包含数百万个光子。飞行量子比特由单个(纠缠)光子组成。

Suchara说：“在经典通信中，你只需将你的比特编码成数千个光子，或者创建比特的额外副本，但在量子世界里，你不能这么做。你必须用单个光子来编码一个量子态。如果单个光子丢失了，你就失去了你的信息。”

还有，网络需要知道飞行量子比特是否已经成功发射。这意味着知道纠缠是否已经实现，而这需要量子先驱所说的“预示纠缠生成方案”（heralded entanglement generation scheme）。

在光纤上使用单光子有其局限性。超过几公里，那是不可能的。因此，量子互联网研究人员提出了“纠缠交换”。一系列被称为“量子中继器”的中间系统被建立起来，这样一对量子中继器的远端可以被反复传送，直到到达目的地。

这仍然不完美。副本的保真度会下降，因此使用多个量子比特，并在一个称为“量子纠错”的过程中“提取”。

Suchara说，在某种程度上，这仅仅意味着重复这个过程，直到它起作用。“你有这些纠缠的光子，你传输它们。如果这些纠缠对中的一部分——甚至很大一部分——丢失了，那也没关系。你只需要让其中的一部分通过。”

Kozlowski同意:“分配纠缠之所以有效，而量子比特分配却不起作用，是因为当我们分配纠缠时，它是以一种已知的形式存在的。它处于我们所称的贝尔态。因此，如果一个失败了，如果一个丢失了，它只会再次产生。”

量子中继器必须处理纠错和提取，以及路由和管理。

但是终端节点会更复杂，Kozlowski说：“量子中继器必须产生纠缠并进行一点纠缠交换。终端节点必须具有良好的量子存储容量，该存储器可以容纳量子比特并实际执行本地处理指令和操作。除了产生纠缠，还可以在其上执行应用程序。”

量子网络还必须处理其他实际问题，比如计时。由于目前产生纠缠的方式，它们将需要难以置信的时间同步。

产生纠缠比发送单个光子更复杂。大多数提议的方案都是从链路的每一端发送一个光子，在中点创建一个纠缠对。

Kozlowski说：“这两个节点将光子发射到一个中间站点，两个光子必须在同一时间在中间站点相遇，几乎没有容限，因为它们相距越远，纠缠的质量就越低。”

他不是在开玩笑。纠缠需要同步到纳秒的精度，时钟抖动比纳秒还快。

Kozlowski说，提供定时的最佳方式是将其包含在物理层中。但有一个问题：“应该只同步一条链路吗？还是应该将整个网络同步到纳秒级？显然，将整个网络同步到纳秒级是困难的。这可能是必要的，但我直觉上会说这不是必要的，我想将这种纳秒级同步限制到每个链路。”

在更大的范围内，量子网络有着快速运行的实际需求。量子存储器的寿命很短，因为一个量子比特只有在与环境隔离时才能持续。

Kozlowski说：“一般来说，人们也希望尽可能快地完成所有事情，原因很简单，量子存储器寿命很短。”

网络化量子系统必须以足够快的速度产生成对的贝尔态，以便在存储的量子比特衰变之前完成工作。但制作纠缠对的过程仍然很慢。在这项技术得到改进之前，量子网络系统的成就将会越来越小，因为它们之间的距离越来越远。

“时间是一种昂贵的资源，”QIRG文件称。“最终，量子存储器的寿命为操作量子节点的扩展网络带来了一些最困难的条件。”

正如Vint Cerf所说:“谷歌在量子计算机方面的工作进展顺利。另一些人则在研究保存纠缠态的量子继电器。重要的问题是要保持足够长时间的相干性以获得答案。请注意，尽管量子纠缠具有明显的距离无关特性，但量子网络确实有光速的限制。光子在量子网络中移动需要时间。如果纠缠态随时间消散，那么光速延迟就是原因之一。”

如果不坚持标准，互联网就不是互联网了。因此，QIRG将“同质性”作为一项挑战。最终的量子互联网，就像今天的经典互联网一样，不管你用的是谁的硬件，都应该运行良好。

不同的量子中继器要协同工作，不同种类的量子计算机要能使用网络，就像互联网不会告诉你用什么笔记本电脑一样。

目前，连接不同种类的量子系统是未来的目标，Kozlowski说:“目前，它们必须相同，因为不同的硬件设置对它们可以维持的光学相互作用有不同的要求。当它们进入光纤时，它们被转换到电信频率，然后当它在另一端时又被转换回来。当一个必须在两个不同的设置之间集成时，故事变得更加复杂。”

他说：“目前正在进行的工作是实现允许不同硬件平台间串扰的技术。这是一个目标。因为这是一个非常早期的阶段。我们只需要接受我们所面临的限制。很多时候，编写软件是为了解决短期限制，而不是为了实现这些更高的目标，即完全平台独立和物理层独立。”

通信也必须是安全的。在经典互联网上，安全是事后才考虑的问题，因为像Cerf这样的互联网先驱是在一个紧密联系的社区工作的，每个人都互相认识。

凭借35年的互联网经验，QIRG从一开始就致力于安全建设。幸运的是，量子密码技术是高度安全的——并且几乎按照定义在量子网络上工作。

除此之外，QIRG还想要一个有弹性且易于监控的量子互联网。

Suchara说：“我认为科学界和潜在用户参与标准化会议非常重要，因为有一些重要的架构决策需要做出——而且不清楚如何做出。”

量子互联网将在本地启动。Riverlane公司的首席执行官Steve Brierley说，虽然QIRG正在考虑跨越数公里，但量子计算初创公司可以在更小的网络中看到这种用途。Riverlane公司急于连接足够大的量子计算机来做实际工作。

Brierley说：“这个概念是建立功能良好的模块，然后将它们联网在一起，目前，这将在同一个房间，甚至可能在同一个制冷机里。”

他继续说：“这种程度的网络可能在未来五年内实现，事实上，今天已经有这样的例子了。”

除此之外，远距离量子网络会产生延迟。正如前文提到的，这将限制我们所能做的事情，因为量子数据是非常短暂的。

目前，没有多少人能参与进来，Kozlowski说:“硬件目前仍在实验室中，而不是真正在外面。”

但是，对于那些实验室的研究人员来说，Kozlowski说:“有很多事情要做”，而且工作“非常复杂”。每个人都在挑战极限，但当你想将其与经典互联网的规模和范围相比时，它仍然是基础的。

苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的Andreas Wallraff教授用一根真实的管道在两台制冷机之间发送微波信号。

马克斯·普朗克研究所已经展示了量子隐形传态，将量子信息从一个量子比特传输到50米外的实验室。

在QuTech大学，Stephanie Wehner教授展示了一个“链路层”协议，它通过底层量子网络提供可靠的链路。QuTech展示了一个量子网络，其中两个节点通过一个中间中继器连接起来。

在美国阿贡国家实验室，Suchara在创建可靠通信方面的努力无疑是一个小小的开始。他正在研究共享量子态，目前还不打算直接连接任何量子计算机。

对他来说，第一件事是让系统充分同步，以处理基本的量子通信：“有了FPGA板，我们已经有了一个在实验室工作的时钟同步协议。我们希望在网络中实现这种时钟同步——我们认为我们项目的第一年将专注于此。”

Suchara认为远程量子计算即将到来：“即将发生的事情是连接位于不同城市或相隔甚远的量子计算机。”

理想情况下，他认为长链路将使用相同的协议套件，但他承认，短链路可能需要不同的长距离协议：“对于短距离和长距离通信，触发通信的中间层可能不同。但我要说的是，构建一个尽可能通用的协议套件是很重要的。我可以告诉你，让经典互联网如此成功的一件事是能够互联异构网络。”

Suchara已经在研究异质性：“量子信息的编码有不同的类型。一种是连续变量。另一种是离散变量。你可以在连续变量和离散变量系统之间进行混合纠缠。我们希望探索将这些系统连接起来的理论协议，并做一个演示，允许在阿贡实验室量子链路网络上传输这两种类型的纠缠。”

阿贡团队有一个量子网络模拟器来尝试各种想法：“我们有一个协议的工作原型。还有一个模拟器，可以评估替代协议设计。这是一个可供社区使用的开源工具。我们的计划是继续用新功能扩展模拟器。”

由于纠缠产生和中继器的缺陷，以及长光纤上的单个光子最终会丢失的事实，使量子网络延伸到长距离将是困难的。

“这是一个技术限制，”Kozlowski说。“给我们足够的时间，硬件将足够好，可以在越来越远的距离上分配纠缠。”

不清楚我们多快能到达那里。Kozlowski估计，基于纠缠的量子网络可能会在10到15年内实现。

这实际上是一个快速的转变，量子互联网将跳过过去几十年在经典世界中的反复试验。从分层协议栈和软件定义的网络开始。

超越分布式量子计算的一步，将是更难的一步，因为目前量子计算机大多使用超导或俘获离子量子比特，而这些量子比特本身并不与光子相互作用。

在这个阶段，这一切听起来可能太复杂了。为什么这么做？

Kozlowski教授解释了量子互联网不是什么：“它的目的不是取代经典互联网。因为，就像量子计算机不会取代经典计算机一样，某些事情在经典上做得相当好。没有必要用量子取代它。”

量子互联网的一个副产品可能是对经典网络的改进：“在我看来，我们应该利用这个机会来改进经典控制协议的OSI模型的某些方面，”Suchara说。

“例如，当前互联网的一个问题是控制平面的安全性。我认为，如果你重新设计，这是一个很好的机会，在控制平面中建立更多的安全机制，以提高鲁棒性。显然，几十年来，互联网在几乎所有可以想象的方面都做得很好，但仍有一点需要改进，那就是控制平面的安全性。”

Kozlowski同意这一点，并指出量子密钥分发已经存在，还有其他量子密码原语，可以提供更好的认证和更安全的链路。

而计时的改进也可能带来好处，包括创造更长的基线射电望远镜和其他巨型行星仪器。

最大的价值可能是分布式量子计算，但Kozlowski听起来很谨慎：“目前还不是100%清楚如何进行计算。我们必须首先弄清楚，相对于一台大型计算机，我们如何在1万台计算机上进行计算。”

但是Steve Brierley希望看到大型、实用的量子计算机，其高性能计算(HPC)远远超过目前令人印象深刻的成就。

Brierley说，由于今天的HPC系统，“我们不再‘发现’飞机，我们使用流体动力学来设计它们。我们有一个基本物理模型，我们使用HPC来求解那些方程。”

如果量子计算机达到工业规模，Brierley相信它们可以给其他领域带来同样的效果，例如医学，我们还不能足够快地求解方程。

他说：“我们仍在‘发现’新药，我们已经破译了人类DNA序列，但这只是一部分清单。”创造一种药物意味着找到一种化学物质，由于其形状和电特性，这种化学物质可以锁定蛋白质上的特定位点。但是预测这些相互作用意味着求解运动中原子的方程。

他说：“蛋白质随着时间移动，这为分子创造了更多的结合位置，量子力学告诉我们分子和蛋白质、原子和电子将如何随时间移动。但是我们没有计算机来解这些方程。正如理查德·费曼所说，除非我们建造一台量子计算机，否则我们永远也做不到。”

他说，一台可以发明任何新药物的量子计算机非常值得付出努力：“如果量子计算机唯一能做的事情是优化一些物流路线，或者解决一个我们已经知道答案的数论问题，我会感到失望。”

为了实现这一目标，我们真正需要的是一台分布式量子计算机。为此，我们需要量子互联网。

代尔夫特理工大学量子计算研究所QuTech有一个通往量子互联网的路线图。

1.基础量子网络

即使在交换量子信息之前，具有可信中继器的经典网络也可以进行量子密钥分发。

2.量子网络原型

当纠缠被用来有效地与另一个位置共享一个量子比特时，真正的量子网络就开始了。量子中继器使用不可克隆定理来进一步分配纠缠以覆盖更远的距离，并在任何位置共享一个量子比特。

3.高级量子网络

量子存储器到来，可以存储量子信息一段时间。这将支持隐形传态和盲量子计算，以及量子时钟同步。存储器寿命和错误率的提高使得简单的分布式量子计算成为可能。每个端节点都有一台完全成熟的量子计算机，完全分布式量子计算是可能的。

1.量子比特

经典数据用比特表示，比特可以是0或1，而量子数据用量子比特表示，量子比特是一种“叠加”。它们以1和0组合的形式存在。当你有多个量子比特时，所有可能的状态同时存在。

2.纠缠

当两个粒子纠缠在一起时，它们具有不独立的量子态。当它们相距很远时，对一个粒子的测量会立即影响到另一个粒子。爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”，量子互联网开发者称之为量子信息交流的好方法。

3.贝尔对

两个高度纠缠的量子比特是一个“贝尔对”(以物理学家约翰·斯图尔特·贝尔命名)，它可以有四个值。如果这两个量子比特是分开的，那么这对量子比特的状态可以通过任意一个终端节点中的操作来改变。

4.测量

叠加是强大的，但是产生了一个问题。在一个经典系统中，你可以随时查看一点。在量子系统中，测量的行为破坏了叠加态——有效地结束了任何纠缠，并将量子比特变成了一个普通的比特，要么是1，要么是0。

5.不可克隆定理

雪上加霜的是，你也不能复制一个量子比特。“不可克隆定理”规定你不能创造未知量子态的副本。因此，放大和传输信号的方式也必须有所不同。

6.隐形传态

虽然你不能读取或复制一个量子比特，但是你可以传送一个未知的量子比特状态——使用一个配纠缠对。源将它想要传输的量子比特与量子比特对的末端纠缠在一起。目的地也是这样，纠缠对的一端被转换成未知的量子比特状态。因为初始量子比特状态被破坏，量子比特被“传输”(未复制)。

这篇文章最早发表在DCD杂志第43期：

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