量子互联网将震撼你的思维。它会是什么样子

本文刊载于2020年11月《发现》杂志，题为“量子互联网的探索”。订阅以阅读更多类似故事。

称之为量子伊甸园吧。纽约市以东约五十英里，布鲁克海文国家实验室的校园里，伊甸·费格罗（Eden Figueroa）是世界上开创性地播种量子互联网种子的“园丁”之一。量子互联网能够通过广阔的距离传输海量数据，它不仅比现有互联网更快，而且比光速更快——事实上，是瞬间传输，就像《星际迷航》中史波克先生和柯克船长的传送一样。

费格罗坐在布鲁克海文光线充足的自助餐厅里，他齐肩的黑发挣扎着想从马尾辫的束缚中解放出来。这位墨西哥裔科学家是石溪大学的副教授，他试图解释它将如何运作。他抓起两个塑料咖啡杯盖、一个盐瓶、一个胡椒瓶和一小杯水，开始像魔术师耍牌一样在餐桌上移动它们。

“我这里会有一个探测器，这里也会有一个探测器，”他指着两个杯盖说。“现在有很多可能性。要么这两个到这里”——他指向盐瓶——“要么这两个到那里，”他朝水杯点点头。“然后根据那里发生的事情，那将是我在这里准备的状态，”他举起黑胡椒瓶说。

懂了吗？我也不懂。但别担心。在美国、欧洲和中国，只有几百名物理学家真正理解如何利用量子物理学中最奇特、最超凡脱俗的方面。在这个奇异的领域，物体可以同时存在于两种或多种状态，这称为叠加；它们可以跨越长距离瞬间相互作用；它们可以瞬间出现又消失。像费格罗这样的科学家希望利用这种奇异行为，将其转化为一个功能性、新时代的互联网——他们说，这将是发送安全信息、免受黑客攻击的坚不可摧的互联网。

费格罗表示，他的团队已经使用光纤基础设施在石溪和布鲁克海文校区之间传输了他所谓的“偏振态”，总距离达85英里。布鲁克海文实验室计算科学计划主任克尔斯廷·克里斯·范·达姆（Kerstin Kleese van Dam）表示，这是“世界上最大的量子网络之一，也是美国最长的量子网络。”

接下来，费格罗希望通过空中，跨越长岛海峡，将他的量子信息传送到康涅狄格州的耶鲁大学。然后他希望向东延伸50英里，利用现有的光纤电缆连接长岛和曼哈顿。

克里斯·范·达姆表示，尽管欧洲和中国的其他团队获得了更多资金，并且在该技术上投入了更长时间，但在美国，“[费格罗]在拥有组建量子网络所需的知识和设备方面处于领先地位，预计在一两年内完成。”

芝加哥大学普利兹克分子工程学院自旋电子学和量子信息学教授、芝加哥量子交易所主任戴维·奥肖洛姆（David Awschalom）是该领域的传奇人物，他称费格罗的工作是“一个非常周到、非常出色的绝妙项目。我总是很谨慎地说某样东西是最大或最快的，”他说。“目前，在全球范围内都在努力构建量子网络原型，作为构建量子互联网的下一步。”他说，日本、英国、荷兰和中国也在努力构建量子网络——更不用说他自己的芝加哥项目了。

美国能源部一月份宣布将投入高达6.25亿美元资助2到5个量子研究中心，这为美国的工作注入了新的动力。此举是唐纳德·特朗普总统于2018年12月21日签署生效的《美国国家量子倡议》的一部分。

但究竟什么是量子互联网？它如何运作？费格罗被他的愿景所吸引，以极具感染力的热情向我讲述了他的计划，有时甚至会笑起来，仿佛这一切都简单到连孩子（甚至一个文科生）都能理解。为了不让他失望，我点了点头，假装我完全明白他在说什么。

去年夏天，在费格罗的陪同下度过了两天，跟着他在布鲁克海文和附近的石溪校园里转悠，亲眼目睹了他未来感十足的设备，与世界各地的其他物理学家交谈，阅读了几本书，并仔细研读了几十篇文章和研究报告后，我开始有点明白了。不是理解它的所有令人不安的深层含义，而是以一种我理解内燃机如何轰鸣或马桶为什么会冲水的大致方式。你也可以做到。

解开缠结

费格罗带我到他在石溪实验室的后室，他领导着量子信息技术小组，他向我展示了一张大桌子，上面布满了迷宫般的微小镜子、激光和电子设备。“我们就是在这里创造这些携带叠加的 foton，”他说，“然后我们可以把它们发送到光纤中。明白吗？这非常简单。”

没错。

奇怪的是，量子互联网的所有含义都可以追溯到一个非常简单的实验，你甚至可以在自己的客厅里进行。它被称为双缝实验，最早由英国博学家托马斯·杨在200多年前进行。

当托马斯·杨将一束光照射到一块带有并排两个狭缝的平板材料上时，他发现穿过狭缝的光线在平板后面的屏幕上形成了明暗相间的干涉图案。只有从两个狭缝发出的波——光波——才能产生这种图案。杨得出结论，艾萨克·牛顿在1704年发表的光的粒子理论是错误的。光是波而不是粒子。

但到了20世纪初，科学家们证实光也以粒子的形式存在——物理学家吉尔伯特·N·刘易斯称之为光子或量子。令人难以置信的是，研究人员发现，即使每次只发射单个光子穿过双缝板，干涉图案仍然出现在另一侧。他们意识到，每个粒子同时也是一个波，像一层奶油奶酪一样散开，因此同时穿过两个狭缝，从而与……另一侧的自身发生干涉。

想想看。一个光子同时存在于两个地方。这意味着在一个地方轻触一个粒子，它应该在另一个地方咯咯笑。在一个地方观察它，应该能揭示出它孪生兄弟的一些信息。欧文·薛定谔将这种现象称为纠缠——这正是费格罗和其他研究人员现在利用来发送信息的原理。简单地说，将信息（例如消息或数据）添加到某个位置的粒子中，数据就会出现在另一个位置：这就是量子隐形传态的精髓。

但我问费格罗，所有这些疯狂的想法如何在实践中运用，如何与螺母、螺栓和物理设备结合起来？

“我来给你看看奇迹发生的地方，”他说。

感谢量子记忆

“这只是设备和光学器件，”他告诉我，指着一张大桌子上排列的激光器和反射镜。“这就是人们所说的成年人的乐高积木。”在桌子的一端，一束激光将高能蓝色光子射向一个晶体，晶体将每个蓝色光子分解成一对低能红色光子；由此产生的两个红色光子现在彼此纠缠。费格罗指出光子从一个反射镜到另一个反射镜的路径。“它们会嘟、嘟、嘟、嘟、嘟-嘟-嘟-嘟地移动。这就是我们拥有这个漂亮系统原因。它正在运行，这很漂亮，”他说。

一旦纠缠，一个红色光子被短距离发送到费格罗实验室走廊尽头的探测器，而另一个可以被发送到十几英里外的布鲁克海文国家实验室的探测器。不同的距离会导致两个光子的到达时间略微不同步，这会破坏它们的纠缠。为了防止这种情况发生，费格罗必须找到一种方法来将每个光子的到达时间协调到亚纳秒级别。

但如何做到呢？其他量子实验室会将其“居家光子”冷冻到接近绝对零度，以达到减速的目的。相比之下，费格罗的创新在室温下工作：一根一英寸长的玻璃管，里面装着万亿个铷原子的薄雾。我第一次参观费格罗实验室的那个早上，他把其中一根管子放在我手里。

“这是什么？”我问他。

他微笑着说：“一个量子记忆。”

费格罗告诉我，在他还在德国康斯坦茨大学攻读博士学位时，他曾问他的教授是否有可能建造一个在室温下无需昂贵复杂的冷却器就能工作的系统。

“我不认为可以，”他被告知。“但你可以证明我错了。”

所以，他做到了。通过让光子在一系列精心放置的镜子上反弹，并用激光网络轰击一团铷原子薄雾，费格罗发现他可以调整纠缠光子的波长，以广播铷雾中的电子可以接收的信号。瞧！光子的纠缠状态瞬间转移到整个原子云中。在纳秒的一小部分之后，纠缠光子继续前进，与它的孪生光子同时到达探测器。

令人难以置信的是，自2012年完成博士学位以来，费格罗已经将整个用于存储量子记忆的系统小型化，成为一个比随身行李箱还小的便携设备，小到足以安装在数据中心普通的计算机服务器机架上——如果量子互联网要普及，这是一项至关重要的创新。正如他的同事和合作者迪米特里奥斯·卡特拉马托斯那天晚些时候告诉我的那样：“它们是便携式的，对吧？所以，有一天我们把其中一些装进一辆货车，从石溪运到了布鲁克海文。”

“他开着他老婆的货车，”费格罗笑着说。“从那时起，我们就叫它‘量子货车’。”

纠缠交换

然而，另一个问题仍然存在——一个费格罗和卡特拉马托斯（以及世界上任何其他量子工程师）迄今为止都未能完全解决的问题：如何成功地通过光纤电缆传输量子纠缠光子，使其越过大约60英里处出现的障碍。超过这个距离，光子会无意中与电缆、其外壳甚至来自地面的阳光相互作用，从而破坏其纠缠。

费格罗解释说，提出的解决方案是一种叫做“纠缠交换”的技术。世界各地的量子工程师正在竞相将这一概念应用于工作原型。

“这个想法已经存在20年了，”哈佛大学领先的量子理论家和实验家米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）说。“到目前为止，还没有人成功构建出能够用于实际应用的设备。据我所知，这正是[费格罗]团队正在努力做的。”

为了解释他的计划，费格罗带我走进一间小会议室，他把所有计划都画在白板上。

“我来给你看看一些非常酷的东西，”他说。

他解释说，与其只创建一对纠缠光子并试图将其发送到100英里外的实验室，不如在25英里和75英里处的两个不同分站创建第二组纠缠对。这些分站会将每对光子中的一个相互射向对方，另一个射向两个实验室中最近的一个。当来自两对光子中的一个在50英里处相遇时，它们将变得纠缠，从而自动纠缠遥远实验室中剩余的其他光子。一旦这种纠缠被共享，费格罗想要发送的信息就可以瞬间传送到100英里外的实验室，从而克服障碍。

“你看到了吗？”他带着迷人的热情说，“很简单。”

量子未来

那么，不仅仅是信息、消息，而是粒子、分子、细胞或者柯克船长的量子传输呢？1997年12月，当首次报道纠缠的实验演示时，IBM物理学家查尔斯·H·本内特告诉《纽约时报》：“即使是像细菌这样小的东西，也完全不可能做到。”（需要指出的是，本内特在四年前就创造了“量子隐形传态”一词，所以你会认为他是正确的。）

但21年后，在2018年秋天，牛津大学的研究人员报告了本内特所说的“完全不可能”的事情：活细菌与光子的纠缠。然而，并非所有物理学家都相信这些发现，因为它们是基于牛津团队对另一组实验的分析。但话又说回来，没有人知道量子革命会走多远——费格罗当然也不知道。

“这些设备将做很多事情，我们仍在努力弄清楚，”他告诉我。“目前，我们只是在努力创造出可用的技术。真正遥远的可能性还有待发现。”

离开他之前，我问费格罗，他的朋友、家人和邻居如何理解他那些神秘的工作。他给我讲了一个关于他岳父的故事。当年费格罗在德国做博士后研究时，他妻子的父亲来探望他。费格罗带他参观实验室两个小时后，问他对此有何看法。

“你说的我一个字都没听懂，”他岳父说，“但我知道那是我见过的最令人惊奇的事情。”

我感同身受。在拜访费格罗之前，我就是这种感觉，我反复打电话询问他，阅读他那些标题奇特的论文，比如《单原子量子存储器》和《压缩光的量子存储器》。但经过这一切之后，整件事开始对我来说有了意义。我希望现在对你也是如此。

某种程度上。

3个简单步骤构建DIY量子互联网

步骤 1. 要构建量子互联网，首先要纠缠两个光子，使它们像一个整体一样，无论它们相距多远。这很简单。为此，取一个激光产生的高能蓝色光子，让它穿过一个晶体，晶体将光子分裂成两个低能红色光子。现在这些光子永久纠缠在一起。有点像布拉德·皮特和安吉丽娜·朱莉，纠缠到永远的“布兰吉丽娜”。现在，把其中一个光子发送给你的朋友史蒂文·斯皮尔伯格，另一个留给自己。

你派出了布拉德还是安吉丽娜？在斯皮尔伯格透过猫眼看到门外是谁之前，你们俩都有50%的机会看到其中一个。在量子世界里，一切都存在于统计模糊之中。但这没关系，因为布拉德和安吉丽娜只是你发送信息的媒介。

步骤 2. 要从布拉德向安吉丽娜发送有意义的信息，你需要第三个光子。我们称之为詹妮弗·安妮斯顿。让詹妮弗通过一个偏振器——就像太阳镜中使用的偏振镜片一样——将她的原子极设定在垂直和水平轴上的特定位置。这为你提供了一个量子比特，或者叫做量子位，它可以同时是0或1。与数字数据的0和1类似，量子位可以串联起来编码你想要发送的任何信息——例如，一部新电影的剧本。

步骤 3. 你快成功了！现在你需要将名为詹妮弗的量子比特与名为布拉德的光子纠缠在一起，你一直保留着布拉德，因为你把安吉丽娜送给了斯皮尔伯格。要做到这一点，把詹妮弗和布拉德都放入一个分束器。当你这样做时，詹妮弗不仅与布拉德纠缠在一起，而且由于预先存在的“布兰吉丽娜”连接，也与安吉丽娜纠缠在一起。他们三者彼此纠缠。

现在请注意：因为光子非常敏感，测量它们（以确保它们确实纠缠在一起）的行为本身就会摧毁它们。所以，布拉德和詹妮弗都会在你的实验室里消失。但等等：斯皮尔伯格仍然拥有安吉丽娜。而安吉丽娜仍然与詹妮弗所携带的信息纠缠在一起。这意味着——锵！——詹妮弗所携带的信息现在已经瞬间传送到斯皮尔伯格的光子那里了。

你成功了！现在你只希望斯皮尔伯格记得在奥斯卡颁奖典礼上感谢你。——D.H.

丹·赫利 (Dan Hurley) 是一名科学记者，也是《发现》杂志的长期撰稿人。