这听起来像科幻小说，但建立量子网络是全球许多国家的主要目标。最近，美国国防部(DoE)发布了第一份蓝图，列出了在未来几年内逐步实现量子互联网梦想的战略，这是初步的蓝图。
美国、欧盟和中国都对量子通信的概念表现出浓厚兴趣。但量子互联网到底是什么，它是如何工作的，它能实现哪些奇迹呢?
什么是量子互联网？
量子互联网是一个网络，它可以让量子设备在一个利用量子力学奇怪定律的环境中交换一些信息。从理论上讲，这将赋予量子互联网前所未有的能力，而这些能力是今天的web应用程序无法实现的。
在量子世界中，数据可以以量子位的状态编码，量子位可以在量子计算机或量子处理器等量子设备中创建。简单地说，量子互联网将包括通过物理上分离的多个量子设备组成的网络发送量子位元。关键的是，这一切的发生都要归功于量子态特有的古怪特性。
这听起来可能类似于标准的互联网。但是，通过量子通道而不是经典的量子通道发送量子位元，有效地利用了粒子在最小尺度上的行为——所谓的“量子状态”，几十年来，这让科学家们既高兴又沮丧。
而支撑信息在量子互联网中传输方式的量子物理定律，也毫不陌生。事实上，他们是奇怪的，反直觉的，有时甚至看起来超自然。
因此，为了理解互联网2.0的量子生态系统是如何工作的，你可能想要忘记你所知道的关于经典计算的一切。因为没有多少量子互联网会让你想起你最喜欢的浏览器。
我们可以和量子交换什么类型的信息?
简而言之，这并不是大多数用户所习惯的。因此，至少在未来几十年里，你不应该期望有一天能够跳上量子缩放会议。
量子通讯的核心是量子位元，它利用了量子力学的基本定律，其行为与经典位元非常不同。
由于对数据进行编码，一个经典的位实际上只能是两种状态中的一种。就像电灯开关要么开要么关，就像猫要么死要么活，所以比特要么是0要么是1。
量子位就不那么重要了。相反，量子位是叠加的:它们可以同时是0和1，在一种经典世界中不存在的特殊量子状态下。这有点像你可以同时坐在沙发的左边和右边。
矛盾之处在于，仅仅测量一个量子位元的行为就意味着它被赋予了一个状态。一个被测量的量子位元自动从它的双态下降到0或1，就像一个经典的位元一样。
整个现象被称为叠加，是量子力学的核心。
不出所料，量子位元不能用来发送我们熟悉的那种数据，比如电子邮件和WhatsApp消息。但量子位的奇怪行为在其他更小的应用领域开启了巨大的机遇。
量子安全通信
装备了量子位的研究人员正在探索的最令人兴奋的途径之一是安全。
当涉及到经典通信时，通过向发送方和接收方分发一个共享密钥，然后使用这个公共密钥加密消息来保护大多数数据。然后接收方可以使用他们的密钥解码数据。
当今大多数经典通信的安全性是基于一种算法来创建密钥，这种密钥很难被黑客破解，但并非不可能。这就是为什么研究人员正在寻找使这种交流过程“量子化”的方法。这一概念是网络安全新兴领域量子密钥分配(QKD)的核心。
QKD的工作方式是让双方中的一方通过将加密密钥编码到量子位上来加密一块经典数据。发送者然后将这些量子位元传送给另一个人，这个人测量量子位元以获得密钥值。
测量导致量子位的状态崩溃;但重要的是在测量过程中读出的值。在某种程度上，量子位元只是用来传输键值的。
更重要的是，QKD意味着很容易发现第三方在传输过程中是否窃听了量子位元，因为入侵者只要看一看就会导致密钥崩溃。
如果一个黑客在量子位元被发送的任何时刻查看它们，这将自动改变量子位元的状态。间谍不可避免地会留下被窃听的痕迹——这就是为什么密码学家坚称QKD是“可证明的”安全的原因。
那么，为什么会有量子互联网呢?
QKD技术还处于非常早期的阶段。目前创建QKD的“通常”方法是通过光纤电缆以单向方式将量子位元发送到接收器;但这些严重限制了该协议的有效性。
量子位元在光纤电缆中很容易丢失或分散，这就意味着量子信号非常容易出错，而且长途传输很困难。事实上，目前的实验局限在数百公里的范围内。
还有另一种解决方案，它支撑着量子互联网:利用量子的另一种性质，称为纠缠，在两台设备之间进行通信。
当两个量子位元相互作用并纠缠在一起时，它们具有相互依赖的特殊特性。当量子位元处于纠缠态时，即使它们在物理上是分离的，其中一个粒子的任何变化都会导致另一个粒子的变化。
因此，第一个量子位元的状态可以通过观察与其相对应的纠缠态来“读取”。这是对的:甚至阿尔伯特·爱因斯坦也称整个过程为“幽灵般的远距离运动”。
在量子通信的背景下，纠缠实际上可以将信息从一个量子位元传送到另一个量子位元，而不需要在传输过程中通过物理通道将两者连接起来。
缠绕是如何工作的?
根据定义，传送的概念本身就包含了通讯设备之间缺乏物理网络桥接的问题。但纠缠仍然需要首先建立，然后维持。
为了使用纠缠进行QKD，有必要建立适当的基础设施，首先创建一对纠缠量子位，然后在发送方和接收方之间分配量子位。这就创造了“远程传态”通道，通过它可以交换密码学密钥。
具体地说，纠缠量子位一旦产生，你必须将一对量子位中的一半发送到密钥的接收方。例如，一个纠缠的量子位可以通过光纤网络传播;但它们在大约60英里后就无法保持缠结。
量子位元也可以通过卫星在远距离上保持纠缠，但用外太空量子设备覆盖地球是昂贵的。
因此，要建立大规模的“远程传态网络”来有效地连接全世界的量子位元，在工程上仍有巨大的挑战。一旦纠缠网络就位，魔法就可以开始了:连接的量子位不再需要通过任何形式的物理基础设施来传递信息。
因此，在传输过程中，量子密钥对第三方来说几乎是不可见的，不可能被截获，而且可以可靠地从一个端点“传送”到下一个端点。这一想法将在银行、医疗服务或飞机通信等处理敏感数据的行业产生良好反响。掌握绝密信息的政府也很可能是这项技术的早期采用者。
我们还能用量子互联网做什么?
“为什么要纠结呢？” 你可能会问。毕竟，研究人员可以简单地找到改善QKD“常规”形式的方法。例如，量子中继器可以在增加光缆的通信距离方面走很长的路要走，而不必纠缠量子比特。
这没有考虑到纠缠对于其他应用程序可能具有的巨大潜力。QKD是量子互联网可以实现的最经常讨论的示例，因为它是该技术最易于访问的应用程序。但是安全远非引起研究人员兴奋的唯一领域。
用于QKD的纠缠网络也可以用于例如提供可靠的方法来构建由位于不同量子设备中的纠缠量子比特构成的量子簇。
研究人员不需要特别强大的量子硬件就可以连接到量子互联网-实际上，即使是单量子位处理器也可以完成这项工作。但是，科学家们希望通过将能力有限的量子设备连接在一起，使他们能够创造出一个超越所有量子设备的量子超级计算机。
因此，通过将许多较小的量子设备连接在一起，量子互联网可以开始解决单量子计算机目前无法解决的问题。这包括加快大量数据的交换速度，并在天文学，材料发现和生命科学领域进行大规模的传感实验。
出于这个原因，科学家们坚信，在Google和IBM等技术巨头甚至实现量子至上之前，我们可以从量子互联网中受益。这是一台量子计算机将解决传统计算机难以解决的问题的时刻。
谷歌和IBM最先进的量子计算机目前大约有50量子比特，仅此一项就远远少于进行解决量子研究希望解决的问题所需的惊人计算所需的数量。
另一方面，通过量子纠缠将此类设备链接在一起可能会产生价值数千个量子比特的簇。对于许多科学家而言，创建这种计算能力实际上是量子互联网项目的最终目标。
量子互联网的作用？
在可预见的未来，量子互联网无法像我们目前在笔记本电脑上那样用于交换数据。
想象一个通用的主流量子互联网将需要预期数十年（或更长时间）的技术进步。因此，尽管科学家梦想着量子互联网的未来，但不可能在该项目目前的状态和我们每天浏览网络的方式之间找到相似之处。
当今，许多量子通信研究致力于发现由于量子态而如何最好地编码，压缩和传输信息。当然，量子态以其非凡的密度而闻名，科学家们相信一个节点可以传送大量数据。
但是，科学家希望通过量子互联网发送的信息类型与打开收件箱和滚动浏览电子邮件无关。实际上，取代传统互联网并不是该技术的目标。
相反，研究人员希望量子互联网将与传统互联网并排，并将用于更专业的应用。量子互联网将执行可以在量子计算机上比在传统计算机上更快地完成的任务，或者即使在当今最好的超级计算机上也很难执行的任务。
