本月早些时候，芝加哥的一个研究实验室公布了一条长达124英里的扩展量子网络，该网络从郊区莱蒙特出发，穿过芝加哥市，延伸至海德公园社区，然后再返回。这段总长度包括最近连接到美国能源部阿贡国家实验室于2020年启动的89英里量子环线上的一个新增的35英里长光纤段，该环线连接了芝加哥量子交易所和芝加哥大学的实验室。
构建这样一个网络旨在使研究人员能够实验新型量子通信、安全协议和算法，目标是朝着初步的量子互联网（其外观可能与早期版本的经典互联网非常相似）迈进。目前，东芝公司正利用该网络在一个会受到噪声、天气和温度波动等因素影响的环境中测试其分布式量子加密密钥，以了解这种方法的鲁棒性以及可能出现的问题。
到目前为止，研究人员能够以每秒80,000个量子比特（或称为qubit——更多关于它们的解释见下文）的速度发送信息。这类实验性密钥可能在未来变得有用，届时强大的量子计算机可能威胁到破解经典加密，这一问题已得到国会议员的强调。
随着更大规模的量子计算机的出现，研究人员正在积极探索利用量子物理学的定律来建立一个防篡改、防黑客的通信信道。这种通信信道也可以成为“连接”量子设备的手段。
“假设你有一台拥有1000个量子比特的量子计算机。然后你还有第二台1000个量子比特的计算机。你想将它们连接起来，就像我们今天通过构建集群来构建超级计算机一样，但你不能只用经典导线连接计算机。你需要一个量子导线来保持两台机器的量子态，”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，量子通信信道就是一种实现这一目标的方式——基本上是构建一种让两个量子电路能够相互通信，而无需进入经典世界的方法。”
探索量子通信的可能性
由于这是量子世界，事物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”。
“当今许多市售的量子机器通常是超导体，因此它们必须具备极低的温度，”Awschalom说。“量子通信使用光子，光的偏振对信息进行编码。”这意味着该网络可以在室温下运行。
使用光子意味着它们也可以使用今天经典通信所使用的光纤。但问题开始出现了。光纤由细玻璃纤维组成，玻璃存在缺陷。当单个光子或光脉冲沿着光纤传输时，它们可以顺利传输一段距离，但随着时间和距离的增加，信号的幅度会缩小，因为光会散射到杂质上。对于经典互联网来说，解决方案是中继器。这些设备只有拇指大小，大约每50英里放置一个，用于放大信号并将其继续传输。
量子世界有其复杂的规则。量子比特（qubits）不像经典比特那样，只有0或1。它们是两者的叠加态，这意味着它们可以是0、1，或者同时是0和1。你可能会看到一个量子比特被描绘成一个带有从中心发出的箭头的球体。你无法复制一个量子态（参见不可克隆定理），观察或测量它会使其脱离叠加态，从而破坏量子比特。（这带来的好处是，它使得量子连接具有防篡改性）。
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量子信号仍然可以通过城市的光纤在没有中继器的情况下进行长距离传输。然而，对于未来，有一些延长其射程的想法。一种方法是通过大气传输到卫星，然后再返回（这正是中国研究人员正在做的事情）。但在空气中，光线也可能被水分吸收，许多光子无法返回地球（NASA正试图看看他们是否可以提高纠缠光子在太空中的稳定性）。通过光纤，你可以调整信号，看到它的位置，并且可以同时发送多种频率的信号。此外，你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，可能是光纤用于短距离，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（芝加哥网络目前有六个节点）。节点并不指代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将其比作一个微小、简单的量子计算机。你可以将信息存入其中，也可以从中取出。
“假设我几乎无法将我的[量子]状态传递给你。你想把它发送给另一个地方的其他人。但我们没有中继器，”他说。“你可能会做的就是，在不看内容的情况下，获取纠缠信息，将其存入存储器，然后你可以将其交换成其他东西。”
量子密钥如何工作
为加密信息创建量子密钥是通过纠缠实现的量子通信的一种实际应用。纠缠粒子无论相距多远，都像被连接在一起一样运作。这意味着如果你观察一个粒子，它会改变另一个粒子，如果你观察两者，它们的测量结果将会相关。一旦你建立了纠缠，分发纠缠态，并保持它在距离和时间上的稳定性，你就可以利用这个特性瞬间传递信息。
经典密钥，其功能类似于信息的密码，是由算法生成的，用于加密信息并使其安全。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）反向工程。
“实际上很难制作防篡改的密钥，你无法反向推断出密钥的生成方式，或者很难阻止人们复制密钥，”Awschalom说。“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，分发给发送者和接收者的密钥对通过量子纠缠紧密相连。在芝加哥的实验中，量子密钥通过光子发送，这些光子的属性（通过极化方向等因素）被调整以编码比特。没有人能够复制或拦截密钥而不破坏量子信息。
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。所以它与经典密钥非常不同。如果有人扰乱了你的密钥，我的密钥也会被扰乱。根据我接收密钥的方式，我也能确定你已经收到了。”
新技术测试平台
尽管量子领域备受关注，但它仍处于早期阶段。这意味着研究人员不确定什么会真正有效，什么不会。该网络将探索这种不确定性的一个方面是，芝加哥各地不同实验室的不同节点都在尝试不同的策略。“例如，现在我们有一个冷原子实验室作为其中一个节点，你可以获取量子通信信息，将其存入一个简单的捕获原子中，然后再提取出来，”Awschalom说。他的实验室，也是网络中的一个节点，正在整合周期表中的磁性原子来存储和发送量子信息。另一个实验室则在研究超导体。“每个节点都旨在放大不同的技术理念，”他说。
他们还计划将该网络开放给外部研究人员和公司，他们可以前来连接和测试他们的原型设备和探测器，并运行它们。
量子密钥只是分布式纠缠可能性的一个开端。“当你以不同的方式传输信息时，还有很多事情可以做，”Awschalom说，其中一个例子是全球环境传感。“如今，我们主要用经典传感器探测世界，但世界是量子力学的。这引出了一个问题——我们是不是因为从未看过而错过了一些东西？我相信，通过这些传感技术和将传感器连接起来的方法，我们将学到很多东西。”
