美国的高调宣布意味着这场量子互联网战场愈发热闹了。

　　作者刘琳

　　刚刚，美国又提出了一项惊人的计划。

　　据华盛顿邮报报道，美国政府计划打造一个量子互联网。目标是将与全球现有网络一起运行的互联网，利用量子力学定律更安全地共享信息，并连接新一代计算机和传感器。

　　如果一切按计划进行，那么将在十年内完成。

　　据悉，此次量子互联网计划的主要研发中心位于芝加哥，而这次计划也被他们称为“第二个互联网”计划。

　　芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授、阿贡国家实验室资深科学家大卫·奥沙洛姆(David Awschalom)称，量子互联网项目是美国量子研究计划的支柱。

“这是一项新技术的诞生，它正引发一场全球性的竞争。地球上每个大国都推出了量子计划，因为情况越来越明朗，它会有很大的影响。”

　　除了美国，中国也在量子技术上投入巨资，该领域可能会改变信息处理方式，并为主导该领域的国家带来巨大的经济和国家安全优势。欧洲也在热衷于进行这项研究。美国能源部及其 17 个国家实验室将构成该项目的骨干。

　　目前还不清楚这个项目的确切资金来源，美国能源部周四没有宣布该项目所需的资金。

　　1

　　量子互联网构想早已有之

　　事实上，早在今年 2 月，美国白宫政府就发出了一份《美国量子网络战略构想》，提出美国将开辟量子互联网。

　　这份文件将量子互联网描述为一张由量子计算机和其他量子设备组成的庞大网络，它将催化出许多新兴技术，从而加速现有互联网的发展，提高通信安全性，并使计算技术发生剧变。

“通过在量子网络领域的前驱开拓，美国预备革新国家和金融安全、患者隐私、药物发现以及新材料的设计和制造，同时增加我们对宇宙的科学认识。”

　　文件认为，量子信息技术仍处于早期阶段，而其远景取决于开创能够可靠地连接量子设备的基础设施平台的能力，也取决于开发量子信息科学在安全、传感和计算模式等方面的应用的能力。在政府协调下齐头并进，持续发力，量子互联网的基础才能就位。

　　文件提出了两个具体目标：

在未来 5 年中，美国的公司和实验室将演示量子网络的基础科学和关键技术，包括量子互连、量子中继器、量子存储器、高通量量子信道和洲际天基纠缠分发。同时，将查明这些系统的潜在影响和改善应用，带来商业、科学、卫生和国家安全方面的好处。

在未来 20 年里，量子互联网链路将利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能，同时促进对量子纠缠作用的理解。

　　而今天的报道中，美国则将实现这一目标的时间加速到了十年内，足见其打造量子互联网的“野心”。

　　那么，问题来了，打造一个国际量子互联网当真有那么轻松吗？

　　2

　　十年内打造量子互联网，可能吗？

　　首先，什么是量子互联网？

　　简单来说即一张由量子计算机和其他量子设备构成特殊网络。

　　众所周知，互联网是用于传递、处理和储存信息的全球性系统。而量子互联网则可以对量子信息进行同样的传递、处理和存储，是通过量子比特和量子纠缠来实现的，但量子信息最大的优点是完全防篡改的。

　　简而言之，量子互联网中量子信息的传输是不可篡改和绝对安全的，可以避免现有互联网中信息泄露等问题，具有重要的战略性。

　　此外，量子互联网可以用来发送不可破解的信息，提高 GPS 系统的精度，并支持基于云的量子计算。二十多年来，由于很难在没有损失的情况下通过远距离发送量子信号，创建这样一个量子网络的梦想在很大程度上一直遥不可及。

　　其次，量子互联网的关键组成部分是什么，它们需要满足哪些性能参数？

　　根据其公布的 38 页文件，决定量子互联网的关键组成部分主要有以下几种：

• 量子限制探测器，超低损耗光通道，空对地连接，以及经典的网络和网络安全协议。

• 纠缠和超纠缠态源以及量子态的传输、控制和测量。

• 从光学和电信（电信）系统到量子计算机相关领域的量子源和信号转换器，包括微波。

• 开发与光学或电信波长中基于光子的量子比特兼容的量子存储器缓冲器和小规模量子计算机。

• 使用量子中继器的远程纠缠分布，允许小型和大规模量子处理器之间基于纠缠的协议。

　　一般而言，目前可用的关键量子网络组件仍然处于实验室级准备状态，尚未在完整的网络配置中运行。所以，要向前迈进， 就必须克服关键挑战，实现级联操作和连接。

　　文件中表示美国将使用量子中继器来解决这一问题。

　　量子中继器在传输过程中不会放大处于纠缠状态的光子，而是通过消耗第二个纠缠对的资源，利用这个纠缠对来传递纠缠属性。

　　需要注意的是，不同于传统网络，量子网络的本质是量子纠缠，存在于网络的物理层，而传统的网络，因为共享状态通常只在更高层建立。在这种情况下，必须找到解决方案，以保证能够支持纠缠分布和确定性传送的网络设备保真度水平，以及能够补偿损失和允许操作纠错的量子中继器方案。

　　最后，从现阶段各国的量子互联网发展程度来看，中国在量子保密通信网的建设上走在世界前列，2016 年，中科院院士潘建伟曾表示，中国计划用 15 年左右时间，构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网，即量子互联网。但中国尚未提出量子互联网的战略规划。

　　除中国外，荷兰和日本也是有力竞争者之一。

　　2018 年 6 月，Hanson Lab 的研究员开发了一组新型智能通信协议，可根据需要产生量子纠缠并提供保护，QuTech 成功使两块量子芯片产生量子纠缠。当时不少人都认为荷兰有望率先建成全球首个量子互联网。

　　日本则在 2012 年计划成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，未来 10 年内投资 400 亿日元，支持量子通信和量子信息领域的研发。

　　无疑，随着美国的加入，这场量子互联网的战争也越来越热闹了。

　　参考资料：

• https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/07/f76/QuantumWkshpRpt20FINAL_Nav_0.pdf

• https://siliconangle.com/2020/07/24/u-s-officials-detail-plans-build-national-quantum-internet/

• https://www.infosecurity-magazine.com/news/us-plans-quantum-internet/

• https://www.leiphone.com/news/202002/jCerN16nsJImArfp.html