美國宣布計劃十年內(nèi)建成國家量子互聯(lián)網(wǎng)，且永遠(yuǎn)無法被劫持

剛剛，美國又提出了一項驚人的計劃。

據(jù)華盛頓郵報報道，美國政府計劃打造一個量子互聯(lián)網(wǎng)。目標(biāo)是將與全球現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)一起運(yùn)行的互聯(lián)網(wǎng)，利用量子力學(xué)定律更安全地共享信息，并連接新一代計算機(jī)和傳感器。

如果一切按計劃進(jìn)行，那么將在十年內(nèi)完成。

據(jù)悉，此次量子互聯(lián)網(wǎng)計劃的主要研發(fā)中心位于芝加哥，而這次計劃也被他們稱為“第二個互聯(lián)網(wǎng)”計劃。

芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院教授、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室資深科學(xué)家大衛(wèi)·奧沙洛姆(David Awschalom)稱，量子互聯(lián)網(wǎng)項目是美國量子研究計劃的支柱。

“這是一項新技術(shù)的誕生，它正引發(fā)一場全球性的競爭。地球上每個大國都推出了量子計劃，因?yàn)榍闆r越來越明朗，它會有很大的影響?！?/p>

除了美國，中國也在量子技術(shù)上投入巨資，該領(lǐng)域可能會改變信息處理方式，并為主導(dǎo)該領(lǐng)域的國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)和國家安全優(yōu)勢。歐洲也在熱衷于進(jìn)行這項研究。美國能源部及其 17 個國家實(shí)驗(yàn)室將構(gòu)成該項目的骨干。

目前還不清楚這個項目的確切資金來源，美國能源部周四沒有宣布該項目所需的資金。

量子互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想早已有之

事實(shí)上，早在今年 2 月，美國白宮政府就發(fā)出了一份《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》，提出美國將開辟量子互聯(lián)網(wǎng)。

這份文件將量子互聯(lián)網(wǎng)描述為一張由量子計算機(jī)和其他量子設(shè)備組成的龐大網(wǎng)絡(luò)，它將催化出許多新興技術(shù)，從而加速現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，提高通信安全性，并使計算技術(shù)發(fā)生劇變。

“通過在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的前驅(qū)開拓，美國預(yù)備革新國家和金融安全、患者隱私、藥物發(fā)現(xiàn)以及新材料的設(shè)計和制造，同時增加我們對宇宙的科學(xué)認(rèn)識?！?/p>

文件認(rèn)為，量子信息技術(shù)仍處于早期階段，而其遠(yuǎn)景取決于開創(chuàng)能夠可靠地連接量子設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施平臺的能力，也取決于開發(fā)量子信息科學(xué)在安全、傳感和計算模式等方面的應(yīng)用的能力。在政府協(xié)調(diào)下齊頭并進(jìn)，持續(xù)發(fā)力，量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)才能就位。

文件提出了兩個具體目標(biāo)：

在未來 5 年中，美國的公司和實(shí)驗(yàn)室將演示量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，包括量子互連、量子中繼器、量子存儲器、高通量量子信道和洲際天基糾纏分發(fā)。同時，將查明這些系統(tǒng)的潛在影響和改善應(yīng)用，帶來商業(yè)、科學(xué)、衛(wèi)生和國家安全方面的好處。

在未來 20 年里，量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路將利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新功能，同時促進(jìn)對量子糾纏作用的理解。

而今天的報道中，美國則將實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的時間加速到了十年內(nèi)，足見其打造量子互聯(lián)網(wǎng)的“野心”。

那么，問題來了，打造一個國際量子互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)真有那么輕松嗎？

十年內(nèi)打造量子互聯(lián)網(wǎng)，可能嗎？

首先，什么是量子互聯(lián)網(wǎng)？

簡單來說即一張由量子計算機(jī)和其他量子設(shè)備構(gòu)成特殊網(wǎng)絡(luò)。

眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)是用于傳遞、處理和儲存信息的全球性系統(tǒng)。而量子互聯(lián)網(wǎng)則可以對量子信息進(jìn)行同樣的傳遞、處理和存儲，是通過量子比特和量子糾纏來實(shí)現(xiàn)的，但量子信息最大的優(yōu)點(diǎn)是完全防篡改的。

簡而言之，量子互聯(lián)網(wǎng)中量子信息的傳輸是不可篡改和絕對安全的，可以避免現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)中信息泄露等問題，具有重要的戰(zhàn)略性。

此外，量子互聯(lián)網(wǎng)可以用來發(fā)送不可破解的信息，提高 GPS 系統(tǒng)的精度，并支持基于云的量子計算。二十多年來，由于很難在沒有損失的情況下通過遠(yuǎn)距離發(fā)送量子信號，創(chuàng)建這樣一個量子網(wǎng)絡(luò)的夢想在很大程度上一直遙不可及。

其次，量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分是什么，它們需要滿足哪些性能參數(shù)？

根據(jù)其公布的 38 頁文件，決定量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分主要有以下幾種：

• 量子限制探測器，超低損耗光通道，空對地連接，以及經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議。

• 糾纏和超糾纏態(tài)源以及量子態(tài)的傳輸、控制和測量。

• 從光學(xué)和電信（電信）系統(tǒng)到量子計算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的量子源和信號轉(zhuǎn)換器，包括微波。

• 開發(fā)與光學(xué)或電信波長中基于光子的量子比特兼容的量子存儲器緩沖器和小規(guī)模量子計算機(jī)。

• 使用量子中繼器的遠(yuǎn)程糾纏分布，允許小型和大規(guī)模量子處理器之間基于糾纏的協(xié)議。

一般而言，目前可用的關(guān)鍵量子網(wǎng)絡(luò)組件仍然處于實(shí)驗(yàn)室級準(zhǔn)備狀態(tài)，尚未在完整的網(wǎng)絡(luò)配置中運(yùn)行。 所以，要向前邁進(jìn)， 就必須克服關(guān)鍵挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)級聯(lián)操作和連接。

文件中表示美國將使用量子中繼器來解決這一問題。

量子中繼器在傳輸過程中不會放大處于糾纏狀態(tài)的光子，而是通過消耗第二個糾纏對的資源，利用這個糾纏對來傳遞糾纏屬性。

需要注意的是，不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，量子網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是量子糾纏，存在于網(wǎng)絡(luò)的物理層，而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)楣蚕頎顟B(tài)通常只在更高層建立。 在這種情況下，必須找到解決方案，以保證能夠支持糾纏分布和確定性傳送的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保真度水平，以及能夠補(bǔ)償損失和允許操作糾錯的量子中繼器方案。

最后，從現(xiàn)階段各國的量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展程度來看，中國在量子保密通信網(wǎng)的建設(shè)上走在世界前列，2016年，中科院院士潘建偉曾表示，中國計劃用 15 年左右時間，構(gòu)建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)。但中國尚未提出量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略規(guī)劃。

除中國外，荷蘭和日本也是有力競爭者之一。

2018 年 6 月，Hanson Lab 的研究員開發(fā)了一組新型智能通信協(xié)議，可根據(jù)需要產(chǎn)生量子糾纏并提供保護(hù)，QuTech 成功使兩塊量子芯片產(chǎn)生量子糾纏。當(dāng)時不少人都認(rèn)為荷蘭有望率先建成全球首個量子互聯(lián)網(wǎng)。

日本則在 2012 年計劃成立量子信息和通信研究促進(jìn)會以及量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，未來 10 年內(nèi)投資 400 億日元，支持量子通信和量子信息領(lǐng)域的研發(fā)。

無疑，隨著美國的加入，這場量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)爭也越來越熱鬧了。