全球量子互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)展及啟示

王超

2020年7月，美國能源部公布量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展藍(lán)圖，明確了美國量子互聯(lián)網(wǎng)的4個(gè)優(yōu)先方向和5個(gè)關(guān)鍵里程碑，計(jì)劃以美國能源部下屬的17個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室為核心節(jié)點(diǎn)，十年內(nèi)建成全國性量子互聯(lián)網(wǎng)。

今年2月以來，美國和歐盟先后出臺(tái)重量級(jí)量子技術(shù)戰(zhàn)略性文件，將量子互聯(lián)網(wǎng)作為發(fā)展目標(biāo)，部署開展多項(xiàng)量子互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究任務(wù)。

借鑒歐美國家布局量子互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，賽迪研究院網(wǎng)絡(luò)安全研究所認(rèn)為，我國應(yīng)做好量子互聯(lián)網(wǎng)頂層設(shè)計(jì)，搶占量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)制高點(diǎn)，打造量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的良好生態(tài)。

世界主要國家和地區(qū)加快布局量子互聯(lián)網(wǎng)

美國：確立了量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)路徑，以多個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室為主體推進(jìn)量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

在戰(zhàn)略層面，美國國家量子協(xié)調(diào)辦公室今年2月發(fā)布《美國量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想》，明確了構(gòu)建世界首個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)的愿景目標(biāo)，并提出了未來5年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道和探索跨洲際距離的天基糾纏分發(fā)；未來20年內(nèi)，推動(dòng)量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路利用網(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。

7月，美國能源部發(fā)布了《從遠(yuǎn)距離糾纏到建立全國性的量子互聯(lián)網(wǎng)》，明確了量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展藍(lán)圖，提出了4個(gè)優(yōu)先研究方向，即為量子互聯(lián)網(wǎng)提供基本構(gòu)建模塊（如量子限制探測器、量子源和傳統(tǒng)源的信號(hào)轉(zhuǎn)換器、量子存儲(chǔ)器等），集成多個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為量子糾纏創(chuàng)建中繼、交換和路由以及實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)功能糾錯(cuò)。

同時(shí)，還設(shè)定了量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的5個(gè)關(guān)鍵里程碑：實(shí)現(xiàn)通過光纖網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證安全量子協(xié)議，校園或城市間量子糾纏分發(fā)，運(yùn)用糾纏交換實(shí)現(xiàn)城際量子通信，使用量子中繼器進(jìn)行州際量子糾纏分發(fā)，以及建立實(shí)驗(yàn)室與學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間的多方生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從演示向運(yùn)行過渡。

此外，還提出了以美國能源部下屬17個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室為核心節(jié)點(diǎn)，十年內(nèi)建成全國性量子互聯(lián)網(wǎng)。

在實(shí)施層面，2020年3月，在26英里長的光纖網(wǎng)絡(luò)中，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室與芝加哥大學(xué)共同完成了“量子環(huán)”系統(tǒng)測試。阿貢和費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室還將建設(shè)82英里的雙向量子網(wǎng)絡(luò)，連接兩個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室，開展量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，作為實(shí)現(xiàn)校園或城市間量子糾纏分發(fā)的重要嘗試。

6月，美國橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯兩個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室通過在城市變電站安置可信節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)中三個(gè)量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)的中繼，初步完成在現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)上驗(yàn)證安全量子協(xié)議。

紐約長島地區(qū)的石溪大學(xué)和紐約布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室正在研究通過光纖電纜等方式實(shí)現(xiàn)11英里的糾纏光子傳輸，并計(jì)劃將量子網(wǎng)絡(luò)延伸到曼哈頓地區(qū)，建成后將是世界上首個(gè)量子中繼網(wǎng)絡(luò)。

歐盟：同步實(shí)施多項(xiàng)量子互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)計(jì)劃，著力推進(jìn)歐洲量子通信網(wǎng)絡(luò)的研究和建設(shè)。

在戰(zhàn)略層面，2020年3月，歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃發(fā)布《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》，明確了旗艦計(jì)劃的發(fā)展目標(biāo)：短期（3年）目標(biāo)是利用量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議和可信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)天基量子密碼，演示可作為未來量子中繼器構(gòu)成模塊的初級(jí)鏈路；中長期（6-10年）目標(biāo)是利用量子中繼器演示800公里以上距離的量子通信，演示至少20個(gè)量子比特的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，演示利用衛(wèi)星鏈路產(chǎn)生糾纏等；長期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)。

在實(shí)施層面，2018年10月，歐盟委員會(huì)啟動(dòng)歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃，在未來十年內(nèi)擬投資10億歐元支持量子通信、量子計(jì)算、量子模擬、量子計(jì)量和傳感等領(lǐng)域的研究。2020年1月，德國、法國等24個(gè)歐盟成員國實(shí)施量子通信基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃，將在未來十年共同研發(fā)和部署歐盟量子通信基礎(chǔ)設(shè)施。

目前，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的斯蒂芬妮 . 韋納團(tuán)隊(duì)正在建立一個(gè)完全通過量子技術(shù)連接荷蘭代爾夫特、阿姆斯特丹等城市的四節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)，計(jì)劃在2020年底前建立代爾夫特和海牙之間的量子網(wǎng)絡(luò)。

韋納還在協(xié)調(diào)推進(jìn)量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Quantum Internet Alliance），旨在將荷蘭的實(shí)驗(yàn)推廣到整個(gè)歐洲大陸，搭建覆蓋歐洲的真正意義上的量子網(wǎng)絡(luò)。

俄羅斯：制定國家量子行動(dòng)計(jì)劃，推進(jìn)量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)。

2019年12月俄羅斯出臺(tái)國家量子行動(dòng)計(jì)劃，擬在5年內(nèi)投資約7.9億美元，打造一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。

2020年4月，圣彼得堡國立信息技術(shù)、機(jī)械與光學(xué)研究大學(xué)與俄羅斯風(fēng)險(xiǎn)投資公司合作，計(jì)劃于2021年啟動(dòng)量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)試驗(yàn)區(qū)建設(shè)，擬投資3億盧布（約合410萬美元），利用俄羅斯鐵路公司的基礎(chǔ)設(shè)施打造量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

印度：提出國家量子任務(wù)，實(shí)施量子互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。

2020年2月，印度科學(xué)技術(shù)部提出了國家量子任務(wù)，計(jì)劃未來5年內(nèi)投入800億盧比（約合11.2億美元），重點(diǎn)推進(jìn)量子通信、量子計(jì)算、量子材料開發(fā)和密碼學(xué)等量子互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。

量子互聯(lián)網(wǎng)前景看好，但仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)

量子互聯(lián)網(wǎng)在安全、計(jì)算和科研領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大。

量子互聯(lián)網(wǎng)是基于量子通信技術(shù)產(chǎn)生和使用量子資源的新型功能網(wǎng)絡(luò)，是在互聯(lián)網(wǎng)上疊加新功能的基礎(chǔ)設(shè)施，將帶來網(wǎng)絡(luò)安全、計(jì)算以及科學(xué)上的飛躍，應(yīng)用前景巨大。

一是可實(shí)現(xiàn)無條件安全通信。量子互聯(lián)網(wǎng)利用量子的不可克隆定理，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)超現(xiàn)有加密技術(shù)的安全量子信息傳輸，是目前唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全通信方式，有望為軍隊(duì)、政府、銀行等領(lǐng)域用戶提供安全通信的終極解決方案。

二是可升級(jí)量子計(jì)算。量子互聯(lián)網(wǎng)可連接多個(gè)量子計(jì)算機(jī)，構(gòu)建分布式量子計(jì)算系統(tǒng)，形成單個(gè)量子計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的規(guī)模計(jì)算能力。

三是可助力科學(xué)研究。比如，利用量子糾纏同步時(shí)鐘，可將全球定位系統(tǒng)等導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的精度從米提高到毫米級(jí)；構(gòu)建量子時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，能極大地提高引力波等現(xiàn)象的測量精度；連接相距數(shù)千公里的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，可獲得相當(dāng)于一個(gè)同等直徑的單碟望遠(yuǎn)鏡的分辨率等。

全球量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展仍處于起步階段。

2018年10月，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)布量子技術(shù)路線圖，將量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展分為可信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、準(zhǔn)備和測量、糾纏分布網(wǎng)絡(luò)、量子存儲(chǔ)器網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)等6個(gè)階段。

美國量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展藍(lán)圖也設(shè)定了包括量子協(xié)議驗(yàn)證、校園或城市間量子糾纏分發(fā)、城際量子通信以及州際量子糾纏分發(fā)等在內(nèi)的5個(gè)關(guān)鍵里程碑。當(dāng)前，各國重點(diǎn)推進(jìn)的基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)均屬于量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初級(jí)階段，僅具備量子互聯(lián)網(wǎng)的部分功能。

量子互聯(lián)網(wǎng)的終極階段是用量子隱形傳態(tài)或量子糾纏交換技術(shù)作為鏈接，將用戶、量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器等節(jié)點(diǎn)連為一體，產(chǎn)生、傳輸、使用量子資源。起步階段距商用的量子互聯(lián)網(wǎng)仍前路漫漫。

發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)需解決可信中繼等諸多技術(shù)難題。

從長期看，發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)需要量子通信、量子精密測量、量子計(jì)算等領(lǐng)域全方位的突破。從近期看，完善量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，需要解決長距離量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中的中繼站點(diǎn)沒有得到量子技術(shù)的充分保護(hù)，而存在“可信中繼”的問題，需要在量子存儲(chǔ)、量子中繼等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)超越一對(duì)固定目的地之間的量子糾纏分發(fā)。

量子互聯(lián)網(wǎng)的傳輸性能雖然大大超越了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，但是由于中繼等原因也不可避免會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，需要研發(fā)支持糾纏分發(fā)和隱形傳態(tài)的高保真網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以及可以補(bǔ)充損耗、容許操作糾錯(cuò)的量子中繼器方案。

對(duì)我國的啟示

目前，我國尚未提出量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，量子互聯(lián)網(wǎng)研究應(yīng)用主要集中在量子通信領(lǐng)域，缺乏對(duì)量子信息技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的整體布局。應(yīng)借鑒歐美發(fā)達(dá)國家和地區(qū)布局量子互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，在戰(zhàn)略規(guī)劃、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面謀劃布局。

確立發(fā)展戰(zhàn)略，做好量子互聯(lián)網(wǎng)頂層設(shè)計(jì)。

盡快研究制定國家量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，確定我國量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)、重點(diǎn)、時(shí)間表和路線圖。堅(jiān)持量子通信和量子計(jì)算發(fā)展并重，從長期戰(zhàn)略的高度推動(dòng)量子互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)科研、技術(shù)攻關(guān)、設(shè)備研制和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等工作。在我國重點(diǎn)城市加強(qiáng)量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和量子衛(wèi)星布局，力爭在2030年率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。

做好基礎(chǔ)研究，搶占量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高地。

發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)，基礎(chǔ)研究的突破十分關(guān)鍵?；A(chǔ)研究前期投入大、商業(yè)回報(bào)周期長，國家長期穩(wěn)定的支持至關(guān)重要。

建議將量子互聯(lián)網(wǎng)納入國家重大科研計(jì)劃，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)等形式，持續(xù)加大對(duì)量子通信理論、方法及相關(guān)器件研究的支持力度；強(qiáng)化量子精密測量、量子計(jì)算等領(lǐng)域的研究工作，補(bǔ)齊量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)短板。加快量子中繼器、天基中繼站點(diǎn)、量子儲(chǔ)存、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵器件以及量子通信廣域組網(wǎng)等技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，加強(qiáng)對(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性研究，解決量子通信設(shè)備的小型化和輕量化問題，降低制造和運(yùn)行成本，推動(dòng)量子互聯(lián)網(wǎng)研究成果在實(shí)際系統(tǒng)中的及時(shí)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，力爭在核心技術(shù)領(lǐng)域搶占制高點(diǎn)。

加快產(chǎn)業(yè)布局，打造量子互聯(lián)網(wǎng)良好生態(tài)。

得益于國家的戰(zhàn)略支持和前瞻部署，我國在量子基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化方面具備了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

考慮到歐美發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在芯片集成、空間技術(shù)、高端材料等方面的技術(shù)優(yōu)勢和合作趨勢，我國應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)量子互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈布局。

通過國家專項(xiàng)、產(chǎn)業(yè)資金和社會(huì)資本等多渠道資金，大力支持相關(guān)高校和研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，強(qiáng)化量子互聯(lián)網(wǎng)的理論研究、技術(shù)研發(fā)、設(shè)備生產(chǎn)以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同，不斷推進(jìn)量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建立行業(yè)競爭優(yōu)勢，打造良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)量子通信等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤，積極開展標(biāo)準(zhǔn)研究和制定，爭取盡早在相關(guān)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)方面取得實(shí)質(zhì)性突破。

（本文轉(zhuǎn)載自中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院微信公眾號(hào)）