“高精尖”的量子互聯(lián)網(wǎng)與我們的生活有什么樣的關(guān)系？

近日，美國能源部在其量子研究大本營芝加哥發(fā)布了一份報告，公布了《美國量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略藍(lán)圖》（簡稱《藍(lán)圖》），透露美國量子網(wǎng)絡(luò)的研究已從小規(guī)模實驗轉(zhuǎn)向全國性量子互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施建設(shè)，預(yù)計用10年時間建成?！端{(lán)圖》提出要確保美國在全球量子競賽中處于前列，闡述了美國量子互聯(lián)網(wǎng)需要完成的基本研究內(nèi)容以及工程和設(shè)計上的瓶頸，并設(shè)定了近期的目標(biāo)。量子互聯(lián)網(wǎng)和今天的互聯(lián)網(wǎng)有什么區(qū)別，為什么需要10年才能建成，其中有哪些難點；美國量子互聯(lián)網(wǎng)與中國已經(jīng)建成的量子通信京滬干線有關(guān)聯(lián)嗎；量子互聯(lián)網(wǎng)大概得需要多少錢才能夠建成？

量子互聯(lián)網(wǎng)到底是什么

究竟什么是量子互聯(lián)網(wǎng)？中國工程院院士潘建偉認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)由可以處理和儲存量子信息的節(jié)點與傳遞量子信息的信道組成。

“當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)傳遞、處理、儲存的是經(jīng)典信息，而量子互聯(lián)網(wǎng)傳遞、處理、存儲的是量子信息。”國盾量子公司總裁趙勇接受媒體記者采訪時給出量子互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別。

雖然量子互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)根本目的都是信息的運算、存儲和傳遞，“但因為攜帶信息的基本單元，運算、存儲和傳送規(guī)則的不同，帶來的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、設(shè)備單元、中繼和終端等也會有根本性的變革?！北本┛萍即髮W(xué)自動化學(xué)院教授王健全在接受《中國電子報》采訪時表示。

而從老百姓的視角來看，這樣“高精尖”的量子互聯(lián)網(wǎng)究竟與我們的生活有什么樣的關(guān)系？我們已經(jīng)有了互聯(lián)網(wǎng)，為什么世界各國對于量子互聯(lián)網(wǎng)還如此“癡迷”？

就像每一次科學(xué)進(jìn)步就為我們打開一個新世界一樣，量子互聯(lián)網(wǎng)的到來同樣會給我們創(chuàng)造一個更美麗的新世界。用潘建偉的話說：“互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明將人類帶入信息時代，量子互聯(lián)網(wǎng)則將提供另一個能夠真正改變世界的機(jī)會。”簡而言之，科學(xué)家們希望利用量子的疊加性、糾纏性等一系列特性，來構(gòu)建一個幾乎無法破解的高速網(wǎng)絡(luò)。

“早期該網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的客戶可能是銀行、醫(yī)療服務(wù)、國家安全以及飛機(jī)通信。最終，量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在手機(jī)中的應(yīng)用可能會對全世界每一個人的生活產(chǎn)生廣泛影響。”美國能源部的報告上這樣描述，“如果網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行組合和擴(kuò)展，那么社會可能就處在數(shù)據(jù)通信突破的風(fēng)口浪尖。最后，創(chuàng)建超級靈敏的量子傳感網(wǎng)絡(luò)可以讓工程師能夠更好地檢測和預(yù)測地震，或者尋找地下的石油、天然氣或者礦產(chǎn)?！?/p>

以量子傳感器為例，相比較于傳統(tǒng)的傳感器，量子傳感器更敏感、更精準(zhǔn)，能夠完成很多看起來不可能完成的任務(wù)。比如對于阿爾茨海默癥，量子磁力儀可以成本更低、更靈敏地檢測到早期病癥；比如癌癥，一種名為微波斷層成像的技術(shù)已應(yīng)用于乳腺癌的早期檢測多年，而量子傳感器則有助于提高這種技術(shù)的靈敏度與顯示分辨率，而且其成像不會對人體造成電離輻射；比如自動駕駛，基于冷原子的量子傳感器，導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以將位置信息精確到厘米，還具備在水下、地下和建筑群中等導(dǎo)航衛(wèi)星觸及不到的地方工作的能力。而有了量子傳感網(wǎng)絡(luò)，就可將量子傳感器的這些能力更高效的利用，普惠大眾，就像今天的云計算一樣。

量子互聯(lián)網(wǎng)是一步一步向前演進(jìn)的，不斷把量子計算、量子傳感、測量等各類功能融入進(jìn)來，最終的目標(biāo)是形成包括量子安全網(wǎng)絡(luò)、分布式量子計算和量子傳感網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的“全量子網(wǎng)絡(luò)”。

北京科技大學(xué)自動化學(xué)院教授王健全進(jìn)一步分析了美國量子互聯(lián)網(wǎng)計劃的應(yīng)用和發(fā)展路徑。從應(yīng)用看，美國未來量子互聯(lián)網(wǎng)包括：傳感網(wǎng)（多個量子傳感器通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，例如分布式量子鐘、量子望遠(yuǎn)鏡、量子圖像識別等）；可擴(kuò)展量子計算（多個小型量子計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)）；量子保密通信（包括QKD、量子盲計算等）。同時美國的量子互聯(lián)網(wǎng)還提出了分階段的發(fā)展路徑：一是基于光纖網(wǎng)絡(luò)驗證量子安全協(xié)議（基于測量-制備的量子網(wǎng)絡(luò)，不一定利用糾纏，基于可信中繼，與京滬干線類似）；二是城域糾纏分發(fā)（基于光交叉組網(wǎng)，實現(xiàn)小規(guī)模量子傳感網(wǎng)應(yīng)用）；三是基于糾纏交換的城際量子通信（基于初步的量子存儲器）；四是州際量子糾纏分發(fā)（基于量子中繼）；五是構(gòu)建跨領(lǐng)域的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)從實驗室到商業(yè)運營。

目前世界各國正在開展新一輪的量子互聯(lián)網(wǎng)競賽，除了美國，歐洲也宣布了其相關(guān)的量子互聯(lián)網(wǎng)計劃?！懊绹姆桨副容^宏觀，強(qiáng)調(diào)利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備實現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實現(xiàn)的新功能。歐盟的最新方案有所細(xì)化，計劃未來三年將推動歐洲范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，定位是完善和擴(kuò)展現(xiàn)有數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的安全應(yīng)用，中長期是逐步實現(xiàn)全量子網(wǎng)絡(luò)?！壁w勇表示，“從初級到終極，信息安全應(yīng)用會貫穿量子網(wǎng)絡(luò)始終，量子密鑰分發(fā)也將隨網(wǎng)絡(luò)的升級而升級，貫穿始終?！?/p>

量子互聯(lián)網(wǎng)難在哪里

美國在該報告中表示，要創(chuàng)建一個成熟的量子互聯(lián)網(wǎng)原型，需要多方的密切協(xié)調(diào)，包括能源部、國家科學(xué)基金委、國防部、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所、國家安全局、NASA等聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，以及國家實驗室、學(xué)術(shù)研究所和工業(yè)界等共同參與。為什么美國提出量子互聯(lián)網(wǎng)的計劃仍需要十年時間才能完成，而且需要如此多的機(jī)構(gòu)參與，其中的難點到底在哪里？

“理論和設(shè)備是量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的兩道坎?！蓖踅∪硎?，“從理論的角度看，量子互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)所遵循的理論不同，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)遵循的是基本的通信理論，如香農(nóng)信息論、排隊論、奈奎斯特抽樣定理等；而量子互聯(lián)網(wǎng)遵循的是量子力學(xué)，是量子理論和信息學(xué)科的交叉融合理論。但目前量子系統(tǒng)理論還未完全建立?！?/p>

目前僅有的相對成熟的理論還局限于量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議，如BB84、GG02、TF等，僅能夠?qū)崿F(xiàn)密鑰的安全分發(fā)；對于基于糾纏分發(fā)、量子中繼等新技術(shù)，有望連接分布式量子計算機(jī)、突破經(jīng)典通信容量極限的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，其理論基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳輸協(xié)議、接口協(xié)議等均處于空白。

從設(shè)備的角度看，基于量子糾纏分發(fā)、存儲、傳送、計算、傳感的系列設(shè)備還不成熟，或者說構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)單元的系列設(shè)備研究還處于初級階段，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)就更是缺乏。

目前雖然在中國的推動下，國際電信聯(lián)盟（ITU-T）成立了量子信息網(wǎng)絡(luò)焦點組，國際互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)組（IETF）也成立了量子互聯(lián)網(wǎng)研究組，但其所立項目大多也只停留在量子互聯(lián)網(wǎng)的概念和應(yīng)用場景等基礎(chǔ)研究方面，因為目前全球還沒有相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的支持，對于量子互聯(lián)網(wǎng)的實用化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化還無從做起。王健全進(jìn)一步表示：“理論不成熟，標(biāo)準(zhǔn)空白，芯片、模組、器件、設(shè)備每個都是難題，所以美國宣布用10年建成還是比較樂觀。當(dāng)然過程中也可能有大的理論和設(shè)備層面的突破，會加速進(jìn)程?！?/p>

另一位量子領(lǐng)域的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，作為最終目標(biāo)的全量子網(wǎng)絡(luò)還有諸多極為困難的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是長時間、大容量、高效率的量子存儲和中繼，確定性的、高速率的糾纏制備等。實際上，這些技術(shù)的難度和大規(guī)模量子計算機(jī)是大致相當(dāng)?shù)?。所以他表示，美國之所以需?0年時間，大概率是要做成全量子網(wǎng)絡(luò)的示范性原型。

此前，《Science》的文章《Quantum internet：A vision for the road ahead》認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)其功能發(fā)展由近及遠(yuǎn)可分為六個階段：第一階段是可信中繼的網(wǎng)絡(luò)；第二階段是制備測量網(wǎng)絡(luò)；第三階段是糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)；第四階段是量子存儲網(wǎng)絡(luò)；第五階段是容錯量子比特網(wǎng)絡(luò)；第六階段是量子計算網(wǎng)絡(luò)?！禨cience》文章中提到，現(xiàn)今的量子互聯(lián)網(wǎng)處于第二階段，代表性的技術(shù)是基于可信中繼的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，其能夠帶來更加安全的網(wǎng)絡(luò)通信。

由于量子互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基本原理不同，量子互聯(lián)網(wǎng)僅僅處于概念提出的起步階段，考慮到理論、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的成熟需要很長一段時間，所以兩個網(wǎng)絡(luò)之間必然是長期共存的。

建量子互聯(lián)網(wǎng)需要多少錢

目前世界各國在量子互聯(lián)網(wǎng)上的投入各不相同。歐洲的量子互聯(lián)網(wǎng)計劃沒有給出明確的資金數(shù)目，按照量子技術(shù)旗艦計劃，預(yù)計未來10年，其在地面量子通信投入約3.5億歐元，在天基量子通信投入約11億歐元，但究竟投入多少建成量子互聯(lián)網(wǎng)，沒有給出具體資金量。

2017年9月，俄羅斯國家開發(fā)銀行在訪問中國科大上海研究院時表示，計劃投資約50億元人民幣專項資金用于支持俄羅斯量子中心開展量子通信研究，并計劃借鑒京滬干線經(jīng)驗，在俄羅斯建設(shè)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，先期將建設(shè)莫斯科到圣彼得堡的線路。

美國國家量子計劃法案于2018年12月正式簽署頒布，主要聚焦量子通信、量子計算機(jī)和超精密量子傳感器三大領(lǐng)域，當(dāng)時的計劃是投資約13億美元，集合國家力量統(tǒng)一協(xié)調(diào)量子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務(wù)美國經(jīng)濟(jì)和國家安全。而今年7月出臺的《藍(lán)圖》還沒有給出具體的資金數(shù)目。

“由于量子互聯(lián)網(wǎng)概念剛剛提出不久，芯片、設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)單元還處于研發(fā)的起步階段，從原型研發(fā)到設(shè)備再到真正商用還有很長的路要走，中間也存在諸多的不確定性，現(xiàn)在提建成量子互聯(lián)網(wǎng)需要多少資金還為時過早，待有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可依，相關(guān)網(wǎng)元設(shè)備成熟后，再來討論這個問題也不遲?！蓖踅∪硎尽?/p>

中國是否需要這樣的量子互聯(lián)網(wǎng)呢？如果認(rèn)可量子互聯(lián)網(wǎng)是未來的趨勢，那么答案毫無疑問是肯定的。那么如何既保持競爭中不落伍，同時又沒有太多的投入風(fēng)險？王健全給出了這樣的建議，在研發(fā)上積極投入，重點部署下列研究：一是量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組網(wǎng)技術(shù)、協(xié)議、接口等層面的研究；二是量子網(wǎng)元層面的積極研發(fā)，包括量子計算、傳感、存儲、中繼、終端等設(shè)備的研發(fā)；三是大力推進(jìn)量子信息和傳統(tǒng)通信領(lǐng)域的交叉融合創(chuàng)新，從政策上推動更多的非物理研究者能夠參與到量子信息的研發(fā)中，使得量子信息走出小眾，從物理研究走向組網(wǎng)研究，走向應(yīng)用研究，就會加速其進(jìn)程。

“而在建網(wǎng)方面，不建議冒進(jìn)。根據(jù)理論、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備網(wǎng)元的成熟度靈活推進(jìn)。在宏觀戰(zhàn)略上重視，在微觀戰(zhàn)術(shù)上要務(wù)實，要根據(jù)設(shè)備研發(fā)進(jìn)展進(jìn)行小范圍的試點，邊研究邊推進(jìn)，從試點中找出設(shè)備和組網(wǎng)問題，反饋給設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，反過來再推進(jìn)組網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步成熟?！蓖踅∪f。
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