美國力推世界首個量子互聯(lián)網(wǎng)的啟示

朱帥

今年2月，美國特朗普政府向國會提交了2021財(cái)年預(yù)算申請，提出要加大對量子信息科學(xué)（QIS）等新興科技領(lǐng)域的投資。此前，隸屬于美國白宮科技政策辦公室（OSTP）的“國家量子協(xié)調(diào)辦公室”（NQCO）發(fā)布了《美國量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略愿景》，針對開發(fā)“世界首個量子互聯(lián)網(wǎng)”提出具體建議。賽迪智庫世界工業(yè)研究所認(rèn)為，美國量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略對我國在該領(lǐng)域制定相關(guān)政策具有一定的借鑒意義。

美國致力于開發(fā)

“世界首個量子互聯(lián)網(wǎng)”

提出兩大發(fā)展目標(biāo)。其一，在未來五年，美國公司和實(shí)驗(yàn)室將展示使量子網(wǎng)絡(luò)成為可能的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)。比如，從量子互連、量子中繼器和量子存儲器到高通量量子通道，以及跨洲距離的基于空間的糾纏分布。同時，還將確定此類系統(tǒng)的潛在影響和改進(jìn)應(yīng)用，以獲取商業(yè)、科學(xué)、健康和國家安全利益。其二，在未來二十年，量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路將利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備來實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新功能，同時促進(jìn)對糾纏所起作用的理解。

確立六大技術(shù)領(lǐng)域。從全球來看，當(dāng)前，量子計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍處于研發(fā)的早期階段。此前發(fā)布的《美國量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略愿景》，聚焦美國的研發(fā)工作，推進(jìn)量子互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的發(fā)展，為重點(diǎn)研究活動推薦了六個具體技術(shù)領(lǐng)域：一是關(guān)鍵部件的技術(shù)和平臺開發(fā)，包括經(jīng)典源、量子有限探測器、超低損耗互連、空間對地連接、經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議以及擴(kuò)展成本。二是將量子源和信號從光學(xué)和電信領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到量子計(jì)算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域，包括微波。三是糾纏和超糾纏態(tài)的產(chǎn)生，量子態(tài)的傳輸、控制和測量。四是開發(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和小規(guī)模量子計(jì)算機(jī)。五是探索用于小規(guī)模和大規(guī)模量子處理器之間遠(yuǎn)程糾纏的新算法和應(yīng)用，包括量子糾錯、量子云計(jì)算協(xié)議和新的量子傳感模式。六是探索用于地面和天基糾纏分布的技術(shù)。

加大資金支持力度。2021財(cái)年聯(lián)邦政府預(yù)算計(jì)劃公布的預(yù)算包括聯(lián)邦研發(fā)投資1422億美元，比2020財(cái)年預(yù)算增長6%。2021財(cái)年預(yù)算優(yōu)先考慮面向未來的產(chǎn)業(yè)，大力支持美國聯(lián)邦政府在量子信息科學(xué)（QIS）領(lǐng)域的研發(fā)資金。與2020財(cái)年預(yù)算相比，關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的總投資增加了50%以上，其中，撥給國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、國家科學(xué)基金會（NSF）、能源部（DOE）三個機(jī)構(gòu)的量子研發(fā)經(jīng)費(fèi)從2020財(cái)年的4.3億美元增加至5億美元。特朗普政府的目標(biāo)是確保量子信息科學(xué)的研發(fā)在2022年前翻一番。

相比2020財(cái)年，美國能源部科學(xué)辦公室的量子信息科學(xué)研究投入增加7000萬美元至2.37億美元，用于研究量子系統(tǒng)行為，應(yīng)對超出當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)能力的科學(xué)挑戰(zhàn)，以及探索性研究量子互聯(lián)網(wǎng)。其中，支持量子互聯(lián)網(wǎng)早期研究的投入達(dá)2500萬美元，目標(biāo)是開發(fā)“世界首個量子互聯(lián)網(wǎng)”。特朗普政府認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有望創(chuàng)造新技術(shù)，提高通信的安全性，并在計(jì)算方面取得巨大進(jìn)展。

量子互聯(lián)網(wǎng)解析

量子計(jì)算具有廣闊的應(yīng)用場景。一是網(wǎng)絡(luò)安全。量子計(jì)算機(jī)可以運(yùn)用量子加密技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)免受攻擊。二是藥品研發(fā)。量子模擬可將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%～10%，并縮短15%～20%的研發(fā)時間;同時，更優(yōu)的分子設(shè)計(jì)將提升藥物審批效率。三是金融。量子計(jì)算可以更好地確定有吸引力的投資組合，更有效地識別關(guān)鍵的欺詐模式。量子計(jì)算機(jī)可并行執(zhí)行多個蒙特卡洛模擬，更有效地優(yōu)化交易。四是農(nóng)業(yè)。量子計(jì)算機(jī)能夠快速分析化學(xué)催化過程，并提出最佳的催化劑組合來產(chǎn)生肥料的主要成分氨。

美國旨在搶占量子互聯(lián)網(wǎng)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。量子互聯(lián)網(wǎng)是一個由量子計(jì)算機(jī)和其他量子設(shè)備組成的龐大網(wǎng)絡(luò)。探索如何建立量子互聯(lián)網(wǎng)將促進(jìn)新技術(shù)發(fā)展，加速當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，提高通信的安全性，并使計(jì)算技術(shù)取得巨大進(jìn)步。目前，包括中國、英國、德國等在內(nèi)的國家和地區(qū)圍繞量子互聯(lián)網(wǎng)紛紛展開科研攻關(guān)。美國也不甘示弱，試圖通過發(fā)布國家層面的戰(zhàn)略以搶占創(chuàng)新制高點(diǎn)，確保成為該領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。此次發(fā)布的戰(zhàn)略不僅提出具體的短期和長期目標(biāo)，而且列出了詳細(xì)的技術(shù)領(lǐng)域，具有前瞻性和指導(dǎo)性。

美國在量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已具備一定的基礎(chǔ)。近些年來，美國在量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的投入已取得早期收獲，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)重要突破奠定了基礎(chǔ)，也使該戰(zhàn)略具備可行性。2018年10月，初創(chuàng)公司Quantum Xchange通過接入沿美國東海岸運(yùn)行的500英里光纖電纜，為美國創(chuàng)造了首個洲際、商用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。今年3月，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院研究人員通過用一個可捕獲、存儲和糾纏量子信息比特的原型量子節(jié)點(diǎn)校正信號丟失。這項(xiàng)研究填補(bǔ)了通向?qū)嵱昧孔踊ヂ?lián)網(wǎng)的缺失環(huán)節(jié)，也是長距離量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步。

五點(diǎn)啟示

持續(xù)跟蹤國際前沿技術(shù)。廣泛進(jìn)行國際交流合作，通過組織和參與國際會議、與國際同行探討，跟蹤量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的國際發(fā)展前沿，探索和把握前瞻性科研方向。

進(jìn)一步做好量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)研究工作。通過自然科學(xué)基金、科技重大專項(xiàng)、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等對量子信息研究給予支持;推動量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室建設(shè);推動量子信息技術(shù)國際與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化研究。

推動人才引進(jìn)。實(shí)施量子互聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)引進(jìn)行動，從全球引進(jìn)頂尖人才;聘請國內(nèi)外量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域高水平的專家，組建專家團(tuán);鼓勵各地和高校企業(yè)在海外設(shè)立引才工作站。

強(qiáng)化人才培育。支持高校建設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)學(xué)科;加大高校碩士博士研究生培養(yǎng);建設(shè)產(chǎn)教結(jié)合的量子互聯(lián)網(wǎng)人才培訓(xùn)基地。

鼓勵開展相關(guān)應(yīng)用試點(diǎn)。鼓勵各地和高校企業(yè)開展量子保密通信應(yīng)用評估與產(chǎn)業(yè)研究，優(yōu)先在政務(wù)、金融、通信、醫(yī)藥等領(lǐng)域開展量子信息科學(xué)創(chuàng)新試點(diǎn);中央及各級財(cái)政提供資金支持，并進(jìn)行階段性考核。