近日，来自荷兰量子研究机构QuTech的一组研究人员成功首次实现了连接三个量子处理器的多节点量子网络。此外，他们还验证了关键量子网络协议的原理。他们的这一研究标志人类迈入未来量子互联网的重要里程碑，该成果发表在15日发行的《Science》杂志上。

量子互联网

互联网的强大之处在于它允许地球上的任意两台计算机相互连接。如今，世界各地许多实验室的研究人员都在努力开发第一个版本的量子互联网，该网络可以在很长的距离上连接任意两个量子设备，例如量子计算机或传感器。当今的互联网以经典比特（可以为0或1）分配信息，而未来的量子互联网将使用可以同时为0和1的量子比特。QuTech研究团队成员Matteo Pompili说：“量子互联网将开辟一系列新颖的应用程序，从无法破解的量子通信和具有完全用户隐私的云计算到高精度的计时功能。”

走向无处不在的连接

在过去的十年里，科研人员通过直接物理链路把两个量子设备共享连接在一起，这迈出了迈向量子互联网的第一步。但这还不够，如何通过中间节点（类似于经典Internet中的路由器）传递量子信息对于创建可拓展的量子网络至关重要。另外，许多有前途的量子互联网应用都依赖于纠缠的量子比特，这些量子比特分布在多个节点之中。纠缠是一种在量子尺度上才能观察到的物理现象，它从本质上能连接小距离甚至远距离的粒子。它为量子计算机提供了巨大的计算能力，还是在未来量子互联网上共享量子信息的基本资源。

操作量子网络

这一研究团队构建的初始量子网络由三个量子节点组成，它们在同一建筑物内相距一定距离。为了让这些节点能够作为一个真正的运行网络，研究人员发明了一种新颖的架构，该架构能够扩展到单个链接之外。中间节点（称为Bob）与两个外部节点（称为Alice和Charlie）都有物理连接，从而允许与这些节点中的其中一个建立纠缠连接。Bob配备了一个额外的量子比特，用来作为存储器，从而可以在建立新连接前存储先前生成的量子连接。建立了Alice–Bob和Bob–Charlie的量子连接之后，Bob通过一组量子操作将这些连接转换为Alice-Charlie的量子连接。或通过在Bob执行一组不同的量子操作，在所有三个节点之间建立纠缠。

为以后做准备

该量子网络的一个重要特征是它通过“标志”信号宣布成功完成了这些（本质上是概率性的）协议。这种信号预示对于可拓展性是至关重要的，因为在未来的量子互联网中，会有许多这样的协议需要串联起来。QuTech该研究团队的另一位成员Sophie Hermans表示：“它一旦建立，我们就能保留最终的纠缠态，保护它们免受噪声干扰...这意味着，原则上我们可以将这些纠缠态用于量子密钥分发、量子计算或任何其他后续的量子协议。”

量子互联网演示器

这是第一个基于纠缠的量子网络，它为研究人员提供了开发和测试量子互联网硬件、软件和协议的独特测试平台。领导该研究团队的Ronald Hanson说：“未来的量子互联网将由无数的量子设备和中间节点组成...QuTech的同事们已经在研究与现有数据基础架构的未来兼容性。在适当的时候，我们将在实验室外部使用现有的电信光纤在QuTech的量子互联网演示器上测试当前的原理验证方法。基于该技术的第一条城域连接计划于2022年完成。” 

更高的目标

在实验室中，研究人员致力于将更多的量子比特添加到其三节点网络中，并添加更高级别的软件和硬件层。Pompili说：“一旦开发出可用于运行网络的所有高级控制和接口层，任何人都将能够编写和运行网络应用程序，无需了解激光器和低温恒温器的工作原理。那是我们最终的目标。”（编译/Rainet）