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全球量子互联网进展及启示

2020-10-23  tangaolus

2020年7月,美国能源部公布量子互联网发展蓝图,明确了美国量子互联网的4个优先方向和5个关键里程碑,计划以美国能源部下属的17个国家实验室为核心节点,十年内建成全国性量子互联网。

今年2月以来,美国和欧盟先后出台重量级量子技术战略性文件,将量子互联网作为发展目标,部署开展多项量子互联网相关研究任务。

借鉴欧美国家布局量子互联网的经验,中国应做好量子互联网顶层设计,抢占量子互联网技术制高点,打造量子互联网发展的良好生态。

美国:确立量子互联网发展目标和实现路径,以多个国家实验室为主体推进量子互联网建设

在战略层面,美国国家量子协调办公室今年2月发布《美国量子网络的战略构想》,明确了构建世界首个量子互联网的愿景目标,并提出未来5年内,实现从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道和探索跨洲际距离的天基纠缠分发;未来20年内,推动量子互联网链路利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能。

7月,美国能源部发布《从远距离纠缠到建立全国性的量子互联网》,明确了量子互联网发展蓝图,提出了4个优先研究方向,即为量子互联网提供基本构建模块(如量子限制探测器、量子源和传统源的信号转换器、量子存储器等),集成多个量子网络设备,为量子纠缠创建中继、交换和路由,以及实现量子网络功能纠错。

同时,还设定了量子互联网建设的5个关键里程碑:实现通过光纤网络验证安全量子协议,校园或城市间量子纠缠分发,运用纠缠交换实现城际量子通信,使用量子中继器进行州际量子纠缠分发,以及建立实验室与学术界和产业界之间的多方生态系统,实现从演示向运行过渡。此外,还提出了以美国能源部下属17个国家实验室为核心节点,十年内建成全国性量子互联网。

在实施层面,2020年3月,在26英里长的光纤网络中,美国阿贡国家实验室与芝加哥大学共同完成了“量子环”系统测试。阿贡和费米国家实验室还将建设82英里的双向量子网络,连接两个国家实验室,开展量子隐形传态实验,作为实现校园或城市间量子纠缠分发的重要尝试。

6月,美国橡树岭和洛斯阿拉莫斯两个国家实验室通过在城市变电站安置可信节点,实现了电网中三个量子密钥分发(QKD)系统的中继,初步完成在现有光纤网络上验证安全量子协议。纽约长岛地区的石溪大学和纽约布鲁克海文国家实验室正在研究通过光纤电缆等方式实现11英里的纠缠光子传输,并计划将量子网络延伸到曼哈顿地区,建成后将是世界上首个量子中继网络。

欧盟:同步实施多项量子互联网相关计划,着力推进欧洲量子通信网络的研究和建设

在战略层面,2020年3月,欧洲量子技术旗舰计划发布《战略研究议程(SRA)》,明确了旗舰计划的发展目标:短期(3年)目标是利用量子密钥分发(QKD)协议和可信节点网络开发天基量子密码,演示可作为未来量子中继器构成模块的初级链路;中长期(6-10年)目标是利用量子中继器演示800公里以上距离的量子通信,演示至少20个量子比特的量子网络节点,演示利用卫星链路产生纠缠等;长期目标是实现量子互联网。

在实施层面,2018年10月,欧盟委员会启动欧洲量子技术旗舰计划,在未来十年内拟投资10亿欧元支持量子通信、量子计算、量子模拟、量子计量和传感等领域的研究。

2020年1月,德国、法国等24个欧盟成员国实施量子通信基础设施计划,将在未来十年共同研发和部署欧盟量子通信基础设施。目前,荷兰代尔夫特理工大学的斯蒂芬妮·韦纳团队正在建立一个完全通过量子技术连接荷兰代尔夫特、阿姆斯特丹等城市的四节点量子网络,计划在2020年底前建立代尔夫特和海牙之间的量子网络。韦纳还在协调推进量子互联网联盟(Quantum Internet Alliance),旨在将荷兰的实验推广到整个欧洲大陆,搭建覆盖欧洲的真正意义上的量子网络。

俄罗斯:制定国家量子行动计划,推进量子互联网平台建设

2019年12月,俄罗斯出台国家量子行动计划,拟在5年内投资约7.9亿美元,打造一台实用的量子计算机。2020年4月,圣彼得堡国立信息技术、机械与光学研究大学与俄罗斯风险投资公司合作,计划于2021年启动量子互联网平台试验区建设,拟投资3亿卢布(约合410万美元),利用俄罗斯铁路公司的基础设施打造量子互联网平台。

印度:提出国家量子任务,实施量子互联网关键技术创新

2020年2月,印度科学技术部提出国家量子任务,计划未来5年内投入800亿卢比(约合11.2亿美元),重点推进量子通信、量子计算、量子材料开发和密码学等量子互联网关键技术创新。

量子互联网前景看好,但仍面临诸多技术挑战

量子互联网是基于量子通信技术产生和使用量子资源的新型功能网络,是在互联网上叠加新功能的基础设施,将带来网络安全、计算以及科学上的飞跃,应用前景巨大。

一是可实现无条件安全通信。量子互联网利用量子的不可克隆定理,能够实现远超现有加密技术的安全量子信息传输,是目前唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全通信方式,有望为军队、政府、银行等领域用户提供安全通信的终极解决方案。

二是可升级量子计算。量子互联网可连接多个量子计算机,构建分布式量子计算系统,形成单个量子计算机无法实现的规模计算能力。

三是可助力科学研究。比如,利用量子纠缠同步时钟,可将全球定位系统等导航网络的精度从米提高到毫米级;构建量子时钟网络,能极大地提高引力波等现象的测量精度;连接相距数千公里的光学望远镜,可获得相当于一个同等直径的单碟望远镜的分辨率等。

全球量子互联网发展仍处于起步阶段。

2018年10月,荷兰代尔夫特理工大学的量子研究团队在《自然》杂志发布量子技术路线图,将量子互联网的发展分为可信节点网络、准备和测量、纠缠分布网络、量子存储器网络、量子计算网络等6个阶段。

美国量子互联网发展蓝图也设定了包括量子协议验证、校园或城市间量子纠缠分发、城际量子通信、州际量子纠缠分发等在内的5个关键里程碑。当前,各国重点推进的基于量子密钥分发的量子保密通信网络均属于量子互联网发展的初级阶段,仅具备量子互联网的部分功能。量子互联网的终极阶段是用量子隐形传态或量子纠缠交换技术作为链接,将用户、量子计算机、量子传感器等节点连为一体,产生、传输、使用量子资源。不过,起步阶段距商用的量子互联网仍前路漫漫。

发展量子互联网需解决可信中继等诸多技术难题。

从长期看,发展量子互联网需要量子通信、量子精密测量、量子计算等领域全方位的突破。从近期看,完善量子保密通信网络,需要解决长距离量子保密通信网络中的中继站点没有得到量子技术的充分保护,而存在“可信中继”的问题,需要在量子存储、量子中继等领域实现技术突破,实现超越一对固定目的地之间的量子纠缠分发。量子互联网的传输性能虽大大超越了传统的网络传输,但是由于中继等原因也不可避免会发生错误,需要研发支持纠缠分发和隐形传态的高保真网络设备,以及可以补充损耗、容许操作纠错的量子中继器方案。

启示

目前,中国尚未提出量子互联网发展战略,量子互联网研究应用主要集中在量子通信领域,缺乏对量子信息技术演进和产业发展的整体布局。应借鉴欧美发达国家和地区布局量子互联网的经验,在战略规划、技术创新、产业生态等方面谋划布局。

确立发展战略,做好量子互联网顶层设计。

尽快研究制定国家量子互联网发展战略,确定中国量子互联网发展目标、重点、时间表和路线图。坚持量子通信和量子计算发展并重,从长期战略的高度推动量子互联网基础科研、技术攻关、设备研制和产业应用等工作。在中国重点城市加强量子网络构建和量子卫星布局,力争在2030年率先建成全球化的广域量子保密通信网络。

做好基础研究,抢占量子互联网技术高地。

发展量子互联网,基础研究的突破十分关键。基础研究前期投入大、商业回报周期长,国家长期稳定的支持至关重要。建议将量子互联网纳入国家重大科研计划,通过自然科学基金、科技重大专项、重点研发计划、战略性先导科技专项等形式,持续加大对量子通信理论、方法及相关器件研究的支持力度;强化量子精密测量、量子计算等领域的研究工作,补齐量子互联网技术短板。加快量子中继器、天基中继站点、量子储存、量子密钥分发系统关键器件、量子通信广域组网等技术创新发展,加强对量子互联网系统稳定性和可靠性研究,解决量子通信设备的小型化和轻量化问题,降低制造和运行成本,推动量子互联网研究成果在实际系统中的及时转化和应用,力争在核心技术领域抢占制高点。

加快产业布局,打造量子互联网良好生态。

得益于国家的战略支持和前瞻部署,中国在量子基础研究和产业化方面具备了坚实基础。考虑到欧美发达国家和地区在芯片集成、空间技术、高端材料等方面的技术优势和合作趋势,中国应进一步加强量子互联网产业链布局。通过国家专项、产业资金和社会资本等多渠道资金,大力支持相关高校和研究机构、企业强强联合,强化量子互联网的理论研究、技术研发、设备生产、网络应用等产业链上下游的协同,不断推进量子互联网技术和产业发展,建立行业竞争优势,打造良好的产业生态。进一步加强对量子通信等技术标准的跟踪,积极开展标准研究和制定,争取尽早在相关设备和网络标准方面取得实质性突破。

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