全球量子互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)展

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《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)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、州際量子糾纏分發(fā)等在內(nèi)的5個(gè)關(guān)鍵里程碑。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。不過，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。