激光通讯是量子通信的本质吗？量子纠缠态为啥能传输密钥？
量子加密通信在本质上是激光通信？
也许这个引出这个话题的朋友有些误解，当前传统意义上的量子通讯并不能做到直接的量子纠缠通讯，毕竟量子叠加态的波函数会随着测量而坍塌，因而从理论上否决了直接使用量子纠缠通讯的可能！也许这就是很多攻击量子通讯是挂羊头卖狗肉的重要论点！但事实上量子通讯从来都没有标榜过自己是量子纠缠通讯，下面我们就来简单了解下当前如火如荼开展的量子通讯是个嘛玩意！
一、当前流行量子通讯到底是一种什么样的通讯？
很明显量子纠缠无法直接传输信息，因此当前的量子通讯并不是直接的量子纠缠通讯！而是量子密钥+传统通讯的一种混合通讯方式！准确的说在这种通讯中，被分离了的纠缠态光子只担任密钥的传输，而数据传输还是通过传统信道来进行的！
传统通讯方式是密钥和通讯数据走的是同一个通道！而量子加密通讯方式是量子密钥信道和传统信道是分离的，或者至少在传递模式上是分离的！看到这里吃瓜群众有一个疑问了，既然量子纠缠无法传递有效信息，那么它是怎么传递密钥的？毕竟密钥也是信息不可分割的一部分！
这就不得不提一下BB84协议，这是Bennett和Brassard在1984年提出了世界上第一个量子密码协议：BB84协议！在协议中采用的并不是测量纠缠态光子的幽灵般的超距作用，而是利用了一对分离光子的偏振态！在协议中采用的线偏振和圆偏振是共扼态，根据海森堡测不准原理，两个偏振态只会有一个准确！因此假如有第三方窃听者在光路中测量这些光子的偏振态时，那么其纠缠光子的状态就会发生变化，使得发送方和接收方能都能发现有第三个人的存在！并且线偏振态和圆偏振态是非正交的，无法制造一模一样状态的光子来欺骗接收方，海森堡测不准原理和纠缠态光子无法克隆的原理保证了BB84协议的绝对安全性！
二、量子加密通讯使用哪种类型的数据通道？
量子加密通讯并没有规定必须使用哪种数据通道，我们可以使用传统的无线电通讯，或者光纤通讯，或者有线电缆通讯都没有影响，因为量子密钥发放是独立的通道！就像你我手中钥匙已经快递过来了，那把锁是海运还是空运又或者是公路运输有什么关系？
三、量子密钥的加密方式能被破解吗？
从BB84协议方式来看，理论上是不可能破解的！但它的发放机制可能存在漏洞，实际量子密钥分配（QKD）发放模式如下：
理论上的QKD是绝对安全的，但实际的QKD系统与理论模型之间还存在难以消除的偏差，原因是QKD系统采用的四个信号源不可能做到完全一致！因此系统中不可避免的存在边带信号，第三者可以通过分辨四种信号源发出的不同特征获取密钥信息！这是QKD系统理论上存在的漏洞，而最近上海交通大学研究团队则是通过注入种子频率光子取得谐振，进而复制出密钥光子获取密钥！密钥盗取成功率达到了60%以上！当然这些方式并不代表量子密钥不堪一击，首先这种模式必须突入QKD发放核心，相当于给猫去挂上铃铛的过程！其次这并不是量子密钥发放的理论漏洞，而是实际器件偏差所产生，未来随着发放技术的改进和设备偏差的减小，这种窃听方式将会被杜绝！
四、量子加密通讯产业能上市吗？
其实这混淆了科学研究与商业模式两个概念，有规定科学研究不能与商业模式相结合吗？如果有良好的商业应用前景，以良性循环推进与促进科学研究，这不是事半功倍么？难道科学研究真的要和商业行为绝缘？这样的思维只能固步自封，闭门造车！还要将科学封闭在自我陶醉的圈子里吗？这是对科学不负责任，更是对未来不负责任……！
应用的量子通信技术有何军事意义
应用的量子通信技术军事价值巨大
量子是最小的、不可分割的能量单位。与经典世界不同具有测不准、不可克隆等性质，这些特性构成了量子通信安全性的基石，其安全性是在数学上已经获得严格证明的安全性，这是经典通信迄今为止做不到的。此外，量子态的可叠加性和非定域性，让量子通信又具备了存贮容量大和传输距离远的特性。
军事信息通信需要高效率、大容量传输和隐蔽性等特点，而量子通信技术正好能满足军事信息通信的要求。因此，量子通信理论一经提出，就被认为是一项在军事领域有极大应用价值的技术。量子通信被认为是面向未来的全新通信技术，在安全性和高效性上具有经典通信无法比拟的优势，它对未来军事通信发展的影响不可估量。从目前量子通信技术的发展来看，其在军事信息系统、隐蔽通信和信息对抗等主要方面得到应用。大容量传输及处理的能力，量子通信的超大信息容量和超高通信速率正好能满足军事系统的特殊需求。在隐蔽通信方面，通信隐身的关键是降低电磁辐射，而经典通信都需要通过电磁波来传输信号，特别是远程无线电通信需要辐射很强的电磁波，即便是激光通信也要辐射很强的光波，这就破坏了通信隐身的条件。由于量子通信既无电磁波辐射，又无光波辐射，使通信真正实现了隐蔽。
量子通信用于信息对抗主要体现在量子密码窃听具备可知性的特性，量子通信技术从根本上解决了秘钥的安全性问题，任何对量子信道进行监测的努力都会被某种监测方式干扰在信道中传输的信息，发送方和接收方均能发现窃听者的存在。在新兴的量子通信领域，空间量子通信已经成为发展的热门。空间量子通信将一部分设施安装在卫星上，好处是有利于光子的长距离传输，再与地球范围内的量子通信链路相结合，建立一个覆盖全球的量子通信网络，因此，量子通信技术在军事领域的作用意义巨大。
一，量子通信将大幅提升战场信息处理能力。
信息化军队的建设程度，将决定各国在21世纪国际竞争中处于什么样的地位，意义极其深远。信息通信技术则是信息化战争制胜的主导技术，也是信息化武器装备建设的主要支撑，任何信息处理，都离不开通信。量子通信作为面向未来的全新通信技术，在安全性、高效性上具有经典通信无法比拟的优势，已经引起各国国防部门的充分重视。我国“墨子号”实验卫星的升空也许只是开启了量子通信进入成熟发展的新阶段，在一定意义上标志着量子技术正在由实验室走向实用。但是，量子信息技术正在成为新兴战略前沿技术已经渐成趋势，其可预期的军事应用前景极其广阔，量子密钥分发技术、量子计算机技术、量子成像技术等将带来军事通信和光电探测领域的革命，将使军队的信息获取、数据传输、情报支援、信息服务等能力得到大幅提升。
二，量子通信将构筑更为坚固的作战体系。
信息技术飞速发展，信息化战争以一种新的战争形态登上人类战争舞台，体系作战成为现代战争的显著特点，而维系可靠的战争体系必须要有能够高速率、大容量传输及处理信息的军事信息系统。由于量子是最小的、不可分割的能量单位，具有测不准、不可克隆等性质，构成了量子通信安全性的基石。此外，量子态的可叠加性和非定域性，让量子通信又具备了存贮容量大特性。量子通信的超大信息容量和超高通信速率能够有效满足现代战争体系的特殊需求。量子技术的发展使现代作战体系构筑得更为坚固，并大幅提升了武器装备作战效能，进一步增强了现代战争的体系作战水平。战争活动既在现实空间，也在虚拟空间，以及两者之间交互进行。作战武器不再局限于一两件主导性武器平台，而是一个由各种先进武器节点构成的信息网络，由无数无处不在的战场传感器和分布式、自主化的作战编队和集群构成。通过建立战场量子通信网络，可以更加广泛、安全可靠地实现所有作战单元直至单兵的互联互通，构建一个更加安全、更加畅通的作战体系。
三，量子通信将大大拓展信息化战争外延。
随着卫星、洲际导弹、战略轰炸机、核潜艇以及网络空间作战等具有全球性作用的战略武器装备的不断涌现，核威慑下的传统战争作战样式几近饱和，这就意味着在传统战争频谱内很难找到发展空间，并用来找到突破口争取军事优势。传统战争的作战领域已经趋近极限，人们不得不寻找更为广阔的战争外延，以提供更为广阔的作战空间。正是在这种历史时期，量子通信技术为战争空间外延提供了历史性的契机。随着量子技术与传统军事领域的广泛融合渗透，原有作战样式将发生很大改变，基于无线电原理的信息攻防手段可能面临失效的局面，新的软硬攻击手段又会伴随而生，控制更广、打击更远、影响更大的量子作战效果将会成为新常态。
四，量子通信将成为催生新军事变革的动力引擎。
信息化社会战争新形态，既是在继承传统战争的基础上发展形成的，同时又是不同于传统战争形态变化的结果，这其中新技术起到了催化剂的作用。军事与科技是相辅相成的，科技进步支撑着军事发展。量子通信及其所代表的量子科学因其可能打破战略平衡和前所未有的颠覆性，多方位向军事领域渗透并应用，逐步成为改变战争“游戏规则”、影响作战进程、决定战争胜负的关键技术，也是当今世界主要大国战略角逐的重要领域。从基于效果理论观点看，量子通信技术对军事建设和未来作战的直接影响，表现在军事建设和战争实践的各领域各方面。如果看不到这一点，对量子通信的未来发展没有清醒认识，可能失去的不只是时间和机遇。因此，必须要以识变、应变、求变的胆识和睿智，紧跟世界新军事变革大势，紧扣量子通信技术带来的时代性变化，利用好新技术带来的新机遇，应对好可能出现的新挑战。
五，量子通信将引发战争制胜机理的深刻变化。
信息化战争中，信息力已经成为影响和决定战争走向的主导因素，成为贯穿战争全过程、渗透作战活动全维空间、融合作战体系全要素的作战能力倍增器，信息优势成为夺取战争胜利的关键。随着信息时代跨越到量子信息时代，量子计算、量子通信、量子雷达等量子信息技术在军事领域的广泛运用，势必在未来战争中进一步颠覆人们的观念，改变信息优势的获取和维持方式。量子通信理论一经提出，就被世界各国认定是一项在军事领域有极大应用价值的技术，将会促进现代战争形态作战样式发生深刻变化，使得信息化战争的制胜机理发生重大改变。量子通信应用于陆海空天武器平台，将更加促进现代战争的空天化、隐身化、无人化、精确化和网络化趋势，相应的对抗方式也随之变化。新的战争形态倒逼着新的战争样式，只有适应量子通信等新技术特点，运用新的战争机理，才能适应信息化战争进入新的发展阶段所产生的新要求。
六，量子通信将推动作战理论创新步伐。
在军事理论创新领域，作战理论是最具活力、最富创造力，也是最能体现武器与人最佳结合的创新活动。一旦量子通信技术用于军事并物化为新的武器装备后，技术总是强制性地改变和重塑人们的观念，先于战争指导和理论走在一切战争历史的前面。在这种大背景下，如果不及时进行作战理念和战略目标的调整，使之与战略需求、作战能力、作战手段相适应相匹配，即使拥有先进的量子通信技术，也不可能与武器装备匹配和优化，也不可能产生改变规则的颠覆性作战样式。因此，在量子信息技术等前沿技术驱动下，一些主要军事大国加快军事思想和作战理论创新步伐，不断出台新军事学说和新作战概念。理论滞后是最大的滞后，在量子通信技术蓬勃发展之际，军事理论创新需要勇气和智慧，作战理论更应赋予活的灵魂和血性，如果无视量子技术等新技术的存在和挑战，脱离战场环境和战争实践，那么军事理论必然没有生存的空间。
七，量子通信能够从根本上改变对手间军力对称局面。
当前世界，已经形成以美国军事霸权为主，多极并存的新军事均衡局面，如果没有颠覆性技术的改变，那么发展中国家军队将有可能一直在追随发达国家的脚步前行，从而始终处于后进的序列。量子技术既是代表军事领域前沿技术发展汇集的核心地带，也是最富有创新性、最具超越性、最有颠覆性的科学技术发展前沿，量子技术为军队战斗力发生质的变化，超越传统军事能力体系提供了跨越的途径。在这样一个作战理论与前沿技术双重驱动引发新一轮军事革命的关键时代，如何从战略全局高度把握量子通信为代表的量子技术发展演变趋势，确立其在军事领域的主攻方向和突破口，是下好先手棋，打好主动仗的根本。一般来说，战争需求总是牵引着技术的发展，历史上一些著名的发明，比如计算机、激光、卫星等，都是战争需求牵引产生出来的。发达国家已经在传统领域建立了军事优势，并将保持这种优势。这种情况下，利用量子技术的颠覆性作用，实现技术突袭，能够最快的改变战略格局，形成新的对等战略平衡。我们既要在新的前沿技术领域形成突袭制胜的优势，更要防范发达国家再次利用颠覆性技术对我们形成新的代差。
八，量子通信为形成新的军事竞争格局奠定基础。
极具吸引力的特性让量子通信成为各国争先恐后研究的对象，中国在量子通信技术领域理论和实验方面均走在世界前列，我国“墨子号”科学实验卫星发射更是取得了长足进步。但是军事上的竞争，从来是以新吃旧，以快打慢。美国也高度重视量子科学的建设发展。美国政府每年斥资约2亿美元资助量子信息科学领域的基础和应用研究。美国防部作为重要参与部门，其投资重点包括精确导航和安全量子网络等多个领域。美国防高级研究计划局也持续资助量子信息科学不同领域的项目。可见，量子科学已经成为大国间综合国力、科技水平和军事实力战略较量的前沿阵地，并会成为构成未来军事竞争新格局的基础。如果不能正确把握量子通信即将带来的革命性变化，一旦机遇来临而未能抓住，那么国家和军队未来就可能会面临更为严峻的挑战。
量子通信是否是一个骗局？
理论上量子通信早就是个大坑（我指的是大家都关注的热门话题），中欧美都有一大批科学家早早地就挖坑灌水，论文无数，从理论和实验上都证明了量子通信是没有任何问题的。
在工程上，潘建伟院士和中科院的工作也必然是目前领先的，因为确实没有其他任何一个组或者实验室有能力以几亿元人民币的经费和如此多科学家合作实现多卫星级别的量子通信网络。虽然潘院士不是第一个提出量子通信理论的，也不是第一个工程上实现量子通信的（比如更早的十几年前的DARPA），但潘院士确实在工程上是目前走在世界前沿的，潘团队在实现上克服了各种困难，不仅是经费上的，也有无数实际工程实践上的，应该说在世界上都是开拓性的、领先的、独一无二的成果。
而且我从来不认同这种说法，就是其他国家没有实现的工程，中国率先实现了就是骗局。因为就算在2017年，中国的科研体系依然有一项很大的优点，就是集中力量办大事，能在大项目上拨巨款、组织全国各个团队合作，这是中国能继续保持在先进的领域的学术和工程水平长期快速发展的法宝。如果因为欧美没有国家发射量子通信卫星，就说中国量子通信卫星是骗局，作为一个中国人，说出这种话来未免太没骨气了。
但问题是量子通信在商业上是否有价值？我是对这个事情上存疑的。量子通信本质上是传统通信（光纤、卫星等）+量子密钥的分配，并没有颠覆传统通信原理，只是在物理上实现了通信过程中的绝对保密和无法破解。传统的数学方法的通信加密本身足够可靠，价格相对于量子通信也要便宜太多太多，而且虽然理论上都是可以破解的，但在限定的时间内还是可靠无法破解。问题是，就算用了量子通信，也只能保证传输的绝对安全，也无法保证两端是否是安全的。如此高昂的商业成本，带来的是传输的绝对安全，但广泛应用、成本低廉的经典数学加密方法也是相对安全，在商业上、在具体应用上，量子通信短期内是不太可能替代传统通信的。
举个简单的例子，大家都知道计算机的随机数生成，几乎都是用伪随机数生成的方法，虽然做不到绝对随机，但是对于大部分程序来说也绝对够用。之前有人在物理上实现过绝对的量子随机数生成器，就是一边是光源，另一边检测接收到的光子数量——显然，这种物理上绝对正确的随机数生成器在目前应用范围极少——伪随机算法又多又好用，还便宜，干嘛还买你的一套设备呢，是不是白花钱？
什么是量子卫星？用途是什么？
1、量子卫星简介：
量子通讯卫星是一种传输高效的通信卫星，彻底杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术，抗衡外国的网络攻击与防御能力。 量子信号从地面上发射并穿透大气层———卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星———量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。 量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。
2、用途：中国量子通信卫星的发射将使中国在国际上率先实现高速星地量子通信，连接地面光纤量子通信网络，初步构建量子通信网络。
量子卫星--“墨子号”：
1、2016年8月16日凌晨1时40分，我国科学家在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，成功入轨运行。这使得我国成为世界上首个实现太空和地面之间量子通信的国家，同时也建成了我国天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。
2、“墨子号”是世界上首颗量子科学实验卫星。量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟表示，之所以给它起名“墨子”，是因为墨子首先通过小孔成像实验发现了光沿直线传播，而且他也提出了某种意义上的“粒子论”。
制造机构：
量子卫星工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责。中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制；中国科学院上海微小卫星创新研究院（上海微小卫星工程中心）抓总研制卫星系统，中国科学院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷分系统；中国科学院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行，对地观测与数字地球科学中心等单位参加。
Science：迈向量子互联网
一个利用量子纠缠在远方用户之间建立密切联系的量子网络正在形成。
撰文 | Gabriel Popkin
译者 | 潘佳栋
审校 | 刘培源、晏丽
当一束优雅的蓝色激光进入一个特殊的晶体中时，在晶体里其变成红色，这表明每个光子都分裂成一对能量较低的光子，并且产生了一种神秘的联系。这些粒子“纠缠”在一起，就像同卵双胞胎一样相互联系。尽管住在遥远的城市，它们却知道彼此的想法。光子穿过一团乱麻，然后轻轻地将它们编码的信息存入等待的原子云 （clouds of atoms） 中。
“这种变换有一点像魔法”，石溪大学的物理学家伊登·菲格罗亚 （Eden Figueroa） 欣喜若狂。他和同事们在几个实验室长凳上炮制了这个装置，上面堆满了镜头和镜子。但是他们心中有一个更大的想法。
图1：伊登·菲格罗亚 (Eden Figueroa) 正试图将微妙的量子信息从实验室引入互联世界
到年底，美国最大的都会区，包括纽约市郊区的司机可能会在不知不觉中为一个新的、可能具有革命性意义的网络的薄弱环节而努力：一个通过像菲格罗亚实验室那样的纠缠光子联系在一起的“量子互联网” 。
数十亿美元已经被投入到量子计算机和传感器的研究中，但许多专家表示，这些设备只有在远距离相互连接时才会迅速发展。就像网络将个人计算机从美化的打字机和 游戏 机转变为不可或缺的电信设备一样，这一愿景和网络的这一方式相似。
纠缠是一种奇怪的量子力学性质，尽管它曾被阿尔伯特·爱因斯坦嘲笑为“幽灵般的超距作用”，但是研究人员仍希望能够在远距离建立紧密的、瞬时的联系。量子互联网可以将望远镜连接成超高分辨率的阵列、精确地同步时钟、为金融和选举建立安全的通信网络、并使得从任何地方进行量子计算成为可能。它还可能催生出没有人想象过的应用程序。
然而，将这些脆弱的联系放入温暖、嗡嗡作响的世界并非易事。如今存在的大多数传输链只能将纠缠的光子发送到相距仅几十公里的接收器。同时，量子连接是短暂的，它会随着光子的接收和测量而被破坏。研究人员希望可以无限期地维持纠缠，利用光子流在全球范围内编织持久的量子连接。
为此，他们将需要光中继器在量子通信网络中的等价物。光中继器是当今电信网络的组件，可在数千公里的光纤中保持强光信号。几个团队已经展示了量子中继器的关键组成部分，并表示他们在构建扩展网络的道路上进展顺利。“我们已经解决了所有的科学问题，”哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金 （Mikhail Lukin） 说，“我非常乐观地认为，在5到10年内……我们将拥有大陆级别的量子网络原型。”
1969年10月29日晚 （即Woodstock音乐节刚结束2个月，越战正在爆发） ，加利福尼亚大学洛杉矶分校的学生查理·克莱恩 （Charley Kline） 向位于加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福研究所中500多公里外的计算机发送了一条消息。这标志着美国高等研究计划署网络 （the Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET） 开始建立。从那个不稳定的双节点开始——克莱恩的预期信息是“login”，但在系统崩溃之前只有“lo”通过——互联网已经扩展到今天的全球网络。大约 20 年前，物理学家开始猜测相同的基础设施是否可以穿梭于更奇特的东西：量子信息。
1994年是一个激动人心的时刻。一位名叫彼得·肖尔 （Peter Shor） 的数学家设计了一种量子代码，可以破解当时领先的加密算法，这是经典计算机无法做到的。肖尔的算法表明，量子计算机具有使非常小的或冷的物体同时以多种“叠加”状态存在的能力，这可能具有爆炸级的应用——破解密码。他们花费了长达数十年的努力来构建量子计算机。一些研究人员想知道量子互联网是否会极大地增强这些机器的能力。
但是建造一台量子计算机已经足够令人却步了。就像纠缠一样，对纠缠至关重要的叠加状态是脆弱的，在被外界测量或以其他方式干扰时会崩溃。由于该领域专注于通用量子计算机，将这些计算机连接起来的想法大多被规划到遥远的未来。菲格罗亚打趣说，量子互联网变得“就像量子计算机的时髦版本”。
第一个能够传输单个纠缠光子的量子网络已经初具规模。2017年中国的一份报告是最引人注目的：一颗名为“墨子号”的量子卫星将纠缠粒子对发送到相距 1200 公里的地面站 （ Science , 16 June 2017, p. 1110） 。这一成就在华盛顿特区引发了担忧，最终导致了 2018 年《国家量子倡议》法案 （ National Quantum Initiative Act ） 的通过，该法案由当时的总统唐纳德·特朗普 （Donald Trump） 签署成为法律，旨在推动美国的量子技术的进步。美国能源部 （The Department of Energy，DOE） 在 4 月份提出了进一步推进美国量子互联网发展的设想，宣布斥资2500万美元用于量子互联网的研发，以连接国家实验室和大学。“让我们将我们的科学设施连接起来，证明量子网络是有效的，并为该国其他地区提供一个框架，让其继续并扩大规模。”最近才开始领导美国能源部科学办公室的克里斯·法尔 （Chris Fall） 说。
由中国科学技术大学物理学家潘建伟领导的中国小组继续发展其量子网络。根据1月份 Nature 的一篇论文，纠缠粒子现在可以跨越 4600 多公里，使用光纤和非量子中继。其他国家也已经证明了更短距离的量子连接。
量子通信行业和政府开始通过一种称为量子密钥分发 （Quantum Key Distribution，QKD） 的方法，将最初的链接用于安全通信。QKD使双方能够通过对纠缠光子对进行同时测量来共享密钥。量子连接可以防止密钥被篡改或窃听，因为任何干预测量都会破坏纠缠，用密钥加密的信息可以通过普通渠道传递。QKD 被用于确保瑞士选举的安全，并且银行已经对其进行了测试。但许多专家质疑其重要性，因为更简单的加密技术也不受已知攻击的影响，包括Shor算法。此外，QKD不能保证发送和接收节点的安全，这些节点仍然容易受到攻击。
成熟的量子网络的目标更高。“它不仅会传输纠缠粒子”，美国国家标准与技术研究所的物理学家尼尔·齐默曼 （Neil Zimmerman） 说，“它将纠缠作为一种资源进行分配”，使设备能够长时间纠缠，从而共享和利用量子信息。 （ Science , 19 October 2018, 10.1126/science.aam9288）
在量子网络的发展中，科学可能是首先受益的。量子网络的一种可能的用途是超长基线干涉测量。该方法将全球的射电望远镜连接起来，有效地创造了一个强大的单一、巨大的天线，足以对遥远星系中心的黑洞进行成像。将远距离的光学望远镜收集到的光组合起来更具挑战性。但是物理学家提出了一些方案，可以在量子存储器中捕获望远镜收集的光，并使用纠缠光子提取和合并其相位信息，这是超高分辨率的关键。分布式纠缠量子传感器还可以为暗物质和引力波带来更灵敏的探测器网络。
量子网络更实际的应用包括超安全选举和防黑客通信，这使得信息本身，而不仅仅是用于解码它的密钥，能够像在QKD中密钥一样在纠缠节点之间共享。纠缠也可以同步原子钟，并防止在它们之间积累信息的延迟和错误。除此之外，量子网络还可以提供一种连接量子计算机的方法，增强量子计算机的能力。在未来一定的时间里，每个量子计算机可能会被限制在几百个量子比特，但如果纠缠在一起，它们可能能够处理更复杂的计算。
进一步考虑这个想法，一些人还设想了一种云计算的模拟，即所谓的盲量子计算 （Blind quantum computing） 。人们的想法是，有朝一日，最强大的量子计算机将位于国家实验室、大学和公司，就像今天的超级计算机一样。药物和材料设计师或股票交易员可能希望在不泄露程序内容的情况下从远处运行量子算法。理论上，用户可以在与远程量子计算机纠缠在一起的本地设备上对问题进行编码——利用远程计算机的能力，但同时不泄漏该问题的信息。
“作为一名物理学家，我认为盲量子计算非常漂亮。”因斯布鲁克大学的特蕾西·诺瑟普 （Tracy Northup） 说。
研究人员对完全纠缠网络 （fully entangled networks） 进行了早期研究。2015 年，魏纳 （Wehner） 及其同事将光子与氮原子中的电子自旋纠缠在一起，它们被包裹在代尔夫特理工大学校园内相距1.3公里的两颗小钻石中。然后光子被发送到一个中间站，在那里它们相互作用以纠缠钻石节点。该实验创造了“调制”纠缠的距离记录，这意味着研究人员可以确认并使用它，并且这种联系持续了长达几微秒。
然而，更广泛的网络可能需要量子中继器来复制、校正、放大和重新广播几乎每个信号。尽管中继器是经典互联网中相对简单的技术，但量子中继器必须避开“不可克隆”定理——即从本质上讲，量子态不能被复制。
图2：量子网络将由纠缠的光子编织在一起，这意味着它们共享一个量子态。但是这需要量子中继器在遥远的用户之间中继脆弱的光子。
一种流行的量子中继器设计从两个相同的、不同来源的纠缠光子对开始，每对中的一个光子飞向遥远的端点，这些端点可能是量子计算机、传感器或其他中继器。让我们称它们为Alice和Bob，因为量子物理学家习惯这样做。
每对光子的另一半向内拉，朝向中继器的中心。该设备必须捕获先到达的光子，将其信息导入量子存储器 （可能是钻石或原子云） ，纠正在传输过程中积累的错误，并对其进行处理，直到另一个光子到达。然后中继器需要以纠缠遥远的光子双胞胎的方式将两者联系起来。这个过程被称为纠缠交换 （entanglement swapping） ，在遥远的端点Alice和Bob之间创建了一个链接。其他的中继器可以将Alice连接到Carol，将Bob连接到Dave，最终跨越很远的距离。
菲格罗亚将他建造这种设备的动力追溯到他2008年在卡尔加里大学的博士学位论文答辩。这位出生于墨西哥的年轻物理学家描述了他如何将原子与光纠缠在一起之后，一位理论学家问他要如何处理这个装置。“当时我真丢脸，我没有答案。对我来说，这是一个我可以玩的玩具。”菲格罗亚回忆道。“他告诉我：‘量子中继器就是你要做的。’”
受到启发，菲格罗亚在来到石溪之前就在马克思·普朗克量子光学研究所研究了该系统。他很早就确认商用的量子中继器应该在室温下运行——这与大多数量子实验室的实验不同，后者在非常冷的温度下进行，以最大限度地减少可能扰乱脆弱量子态的热振动。
菲格罗亚希望将铷蒸气作为中继器的一个组件，即量子存储器。铷原子是锂和钠的同族元素，对科学家很有吸引力，因为它们的内部量子态可以通过光来设置和控制。在菲格罗亚的实验室中，来自分频晶体的纠缠光子进入每个包含 1 万亿个左右铷原子的塑料细胞 （cells） 。在那里，每个光子的信息被编码为原子之间的叠加，在那里它持续几分之一毫秒——这对于量子实验来说非常好。
菲格罗亚仍在开发第二阶段的中继器：使用计算机控制的激光脉冲来纠正错误并维持云的量子态。然后，额外的激光脉冲会将携带纠缠的光子从存储器发送到测量设备，以与最终用户发生纠缠。
卢金使用不同的介质构建量子中继器：包裹在钻石中的硅原子。传入的光子可以调整硅电子的量子自旋，从而产生潜在的稳定记忆。论文中，他的团队报告捕获和存储量子态的时间超过五分之一秒，远远长于铷存储器。2020年一篇发表在 Nature 上的文章中指出，尽管必须将钻石冷却到绝对零上几分之一度的范围内，但卢金表示制冷器正在变得紧凑和高效， “现在这是我最不担心的。”
在代尔夫特理工大学，魏纳和她的同事也在推动钻石方法，但使用氮原子而不是硅。上个月在 Science 杂志上，该团队报道了在实验室中纠缠三颗钻石，创建了一个微型量子网络。首先，研究人员使用光子纠缠了两种不同的钻石：Alice和Bob。在Bob中，纠缠从氮转移到碳核中的自旋：一种长寿命的量子存储器。然后在Bob的氮原子和第三颗钻石Charlie之间重复纠缠过程。研究人员对 Bob的氮原子和碳核进行联合测量然后将纠缠转移到第三颗钻石，即Alice到Charlie。
实验负责人、代尔夫特理工大学物理学家罗纳德·汉森 （Ronald Hanson） 说，尽管该实验距离比现实世界的量子网络需要的距离短得多、效率也低得多，但可控的纠缠交换证明了量子中继器的工作原理，这是“从未被做过的事情”。
潘建伟的团队还展示了一个部分中继器，其中原子云作为量子存储器。但在2019年发表在 Nature Photonics 上的一项研究中，他的团队展示了一个完全不同的早期原型：通过平行光纤发送大量的纠缠光子，至少有一个可能在旅途中幸存下来。潘建伟说，虽然这可能避免对中继器的需求，但该网络需要能够纠缠至少数百个光子，而他目前的记录是12个光子。使用卫星产生纠缠是潘建伟正在开发的另一项技术，也可以减少对中继器的需求，因为光子在太空中的存在时间比通过光纤长得多。
大多数专家都认为，真正的量子中继器还需要数年时间，最终可能会使用当今量子计算机中常见的技术，例如超导体或俘获离子，而不是钻石或原子云。这样的设备需要捕获几乎所有击中它的光子，并且可能需要至少几百个量子比特的量子计算机来校正和处理信号。从某种意义上说，更好的量子计算机可以推动量子互联网的发展——这反过来又可以增强量子计算。
在物理学家努力打造完美中继器的同时，他们正在将单个大都市区内的站点连接起来，因为它们不需要中继器。在2月发布到 arXiv 的一项研究中，菲格罗亚将他的实验室中两个原子云存储器中的光子通过79公里的商业光纤发送到布鲁克海文国家实验室，在那里光子被合并——代尔夫特理工大学的小组朝着这种端到端类型的纠缠迈出了一步。到明年，他计划在他的大学和他的创业公司Qunnect的纽约办公室之间部署两个量子存储器，并把它们压缩到一个微型冰箱的大小，看看它们是否能提高光子在旅途中幸存下来的几率。
波士顿、洛杉矶和华盛顿特区也正在建设量子网络，两个网络将把伊利诺伊州的阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室与芝加哥地区的几所大学连接起来。代尔夫特理工大学的研究人员希望很快将他们创纪录的长期纠缠扩展到荷兰海牙的商业电信设施，而其他新兴网络正在欧洲和亚洲不断发展。
这些量子网络最终目标是使用中继器将这些小型网络连接到洲际互联网。但首先，研究人员面临着更简单的挑战，包括建造更好的光子源和探测器、最大限度地减少光纤连接处的损耗，以及在特定量子系统 （例如原子云或钻石） 的固有频率和电信光纤传导的红外波长之间有效地转换光子。“那些现实世界的问题，”齐默曼说，“实际上可能比光纤衰减的问题更大。”
图3：微小钻石中的杂质原子（如该芯片的核心）可以存储和传递量子信息。
有些人怀疑这项技术是否是在炒作。“纠缠是一种非常奇怪、非常特殊的性质”，陆军研究实验室的物理学家库尔特·雅各布斯说， “它不一定适用于所有类型的应用程序。” 例如，对于时钟同步，与经典方法相比量子网络的优势仅体现在纠缠设备数量的平方根上，量子网络需要连接9个设备才能获得经典网络3倍的收益。三倍增益需要连接九个时钟——可能会遇到高于它的价值的问题。“拥有功能性量子网络总是比经典网络更难。”雅各布斯说。
对于这种怀疑，芝加哥大学的物理学家大卫·奥沙洛姆 （David Awschalom） 反驳说，“我们正处于量子技术的晶体管阶段。” 晶体管于1947年被发明出来，几年之后，公司才发现它在收音机、助听器和其他设备中的用途。如今，每一台新电脑、智能手机和 汽车 的芯片中，都蚀刻了数以亿计的晶体管.
未来几代人可能会像我们怀念阿帕网 （ARPANET） 一样回望此刻——作为互联网的纯婴儿版本，阿帕网的巨大潜力当时没有得到认可和商业化。“你可以肯定，我们还没有想到这项技术将做的一些最重要的事情”，奥沙洛姆说：“如果你相信已经做了最重要的事情，那说明你太傲慢了。”
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