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

剛剛，美國又提出了一項驚人的計劃。

據華盛頓郵報報道，美國政府計劃打造一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)。目標是將與全球現有網(wǎng)絡(luò )一起運行的互聯(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和傳感器。

如果一切按計劃進(jìn)行，那么將在十年內完成。

據悉，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(chēng)為“第二個(gè)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)驗室資深科學(xué)家大衛·奧沙洛姆(David Awschalom)稱(chēng)，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(chǎng)全球性的競爭。地球上每個(gè)大國都推出了量子計劃，因為情況越來(lái)越明朗，它會(huì )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(huì )改變信息處理方式，并為主導該領(lǐng)域的國家帶來(lái)巨大的經(jīng)濟和國家安全優(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(gè)國家實(shí)驗室將構成該項目的骨干。

目前還不清楚這個(gè)項目的確切資金來(lái)源，美國能源部周四沒(méi)有宣布該項目所需的資金。

量子互聯(lián)網(wǎng)構想早已有之

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 )戰略構想》，提出美國將開(kāi)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和其他量子設備組成的龐大網(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(guò)在量子網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的前驅開(kāi)拓，美國預備革新國家和金融安全、患者隱私、藥物發(fā)現以及新材料的設計和制造，同時(shí)增加我們對宇宙的科學(xué)認識?！?/p>

文件認為，量子信息技術(shù)仍處于早期階段，而其遠景取決于開(kāi)創(chuàng )能夠可靠地連接量子設備的基礎設施平臺的能力，也取決于開(kāi)發(fā)量子信息科學(xué)在安全、傳感和計算模式等方面的應用的能力。在政府協(xié)調下齊頭并進(jìn)，持續發(fā)力，量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎才能就位。

文件提出了兩個(gè)具體目標：

在未來(lái) 5 年中，美國的公司和實(shí)驗室將演示量子網(wǎng)絡(luò )的基礎科學(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(shí)，將查明這些系統的潛在影響和改善應用，帶來(lái)商業(yè)、科學(xué)、衛生和國家安全方面的好處。

在未來(lái) 20 年里，量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路將利用網(wǎng)絡(luò )化量子設備實(shí)現經(jīng)典技術(shù)無(wú)法實(shí)現的新功能，同時(shí)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)現這一目標的時(shí)間加速到了十年內，足見(jiàn)其打造量子互聯(lián)網(wǎng)的“野心”。

那么，問(wèn)題來(lái)了，打造一個(gè)國際量子互聯(lián)網(wǎng)當真有那么輕松嗎？

十年內打造量子互聯(lián)網(wǎng)，可能嗎？

首先，什么是量子互聯(lián)網(wǎng)？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)即一張由量子計算機和其他量子設備構成特殊網(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。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(guò)量子比特和量子糾纏來(lái)實(shí)現的，但量子信息最大的優(yōu)點(diǎn)是完全防篡改的。

簡(jiǎn)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，可以避免現有互聯(lián)網(wǎng)中信息泄露等問(wèn)題，具有重要的戰略性。

此外，量子互聯(lián)網(wǎng)可以用來(lái)發(fā)送不可破解的信息，提高 GPS 系統的精度，并支持基于云的量子計算。二十多年來(lái)，由于很難在沒(méi)有損失的情況下通過(guò)遠距離發(fā)送量子信號，創(chuàng )建這樣一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò )的夢(mèng)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(mǎn)足哪些性能參數？

根據其公布的 38 頁(yè)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）系統到量子計算機相關(guān)領(lǐng)域的量子源和信號轉換器，包括微波。

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

• 使用量子中繼器的遠程糾纏分布，允許小型和大規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)驗室級準備狀態(tài)，尚未在完整的網(wǎng)絡(luò )配置中運行。 所以，要向前邁進(jìn)， 就必須克服關(guān)鍵挑戰，實(shí)現級聯(lián)操作和連接。

文件中表示美國將使用量子中繼器來(lái)解決這一問(wèn)題。

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

需要注意的是，不同于傳統網(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，而傳統的網(wǎng)絡(luò )，因為共享狀態(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 )設備保真度水平，以及能夠補償損失和允許操作糾錯的量子中繼器方案。

最后，從現階段各國的量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展程度來(lái)看，中國在量子保密通信網(wǎng)的建設上走在世界前列，2016年，中科院院士潘建偉曾表示，中國計劃用 15 年左右時(shí)間，構建天地一體的有量子通信安全保障的未來(lái)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)的戰略規劃。

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(kāi)發(fā)了一組新型智能通信協(xié)議，可根據需要產(chǎn)生量子糾纏并提供保護，QuTech 成功使兩塊量子芯片產(chǎn)生量子糾纏。當時(shí)不少人都認為荷蘭有望率先建成全球首個(gè)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(huì )以及量子科學(xué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機構，未來(lái) 10 年內投資 400 億日元，支持量子通信和量子信息領(lǐng)域的研發(fā)。

無(wú)疑，隨著(zhù)美國的加入，這場(chǎng)量子互聯(lián)網(wǎng)的戰爭也越來(lái)越熱鬧了。