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参考消息网3月10日报道 美媒称，在涉及机器学习和优化、模拟物理系统以及收集和传输敏感信息的某些问题上，量子计算机较之传统计算机具有巨大优势。当量子计算机变得更加强大和普及时，就需要一个强大的量子互联网来进行通信。科学家们认为，“量子密钥分发”有助于实现量子互联网，而那将是一个“黑客无法破解的”系统，会大大提高“窃听”加密数据传输过程的难度。一些国家正在积极投资建设量子互联网。去年，美国能源部下属的阿尔贡国家实验室和芝加哥大学宣布，它们已成功完成所谓的“量子环”试验，而“量子环”可以充当未来量子互联网的前体。美国珀杜大学的工程师们也展示了相关技术，可为大量量子计算机、量子传感器和其他量子设备联网并相互通信奠定基础。 量子技术竞争激烈 据美国《国防》月刊网站2月26日报道，据一位专家说，全世界对量子技术——即通过操纵中子、光子、电子和质子来执行任务——的投资正在增加，到2024年将达到100亿美元。 是德科技公司的商业开发工程师盖布·列涅茨基说：“量子技术在安全领域有重要意义，且人们预期它在计算和传感方面具备优势，这些引起了世界各国政府的兴趣。” 他今年1月在一个网络研讨会上说，中国已经向其量子计划投入巨额资金。其他加速投资量子技术的国家包括德国、荷兰、加拿大和包括日本在内的若干亚太国家。 列涅茨基还说，就在去年，印度开始对量子技术投资10亿美元。与此同时，在量子技术投资方面，美国在2018年前一直处于落后状态。 他指出，量子研究主要有三个领域，包括量子计算、传感和通信。 列涅茨基称，量子计算机将在数据加密、大数据和人工智能领域发挥重要作用。 他说，对于通过电磁传感等手段来精确计时和导航的应用程序，量子传感器能提供极高的灵敏度。 此外，量子通信将使构建安全的数据通道成为可能。 列涅茨基预测，这些技术将对航空航天领域产生重大影响。他指出，举例来说，一种名为“量子照明”的传感技术可在开发新雷达系统方面发挥重要作用，能“提高雷达侦测隐形物体的灵敏度并扩大侦测范围”。 利用量子技术还可以实现被称为“量子密钥分发”的安全通信系统。 列涅茨基说：“'量子密钥分发’有望被应用于卫星领域或实现卫星与地面之间的通信。”不过他指出，要将其应用于太空，距离是最大的挑战。 列涅茨基解释说：“主要原因是，距离越远，量子比特被吸收或分散的可能性就越大。这会对沿途的中继站和节点是否可信产生影响。因此，我们通常认为，要保持合理的比特率，就需要每隔100公里左右设一个中继站。这可能超出了光纤或卫星媒介的能力。”
中国发射的量子科学实验卫星“墨子号”在太空中运行的想象图。（美国《科学》周刊网站） 下一代硬件现雏形 列涅茨基指出，“量子密钥分发”有助于实现量子互联网。他说，那将是一个“黑客实际上无法破解的”系统，会大大提高“窃听”加密数据传输过程的难度。 美国政府正在投资建设量子互联网。去年，美国能源部下属的阿尔贡国家实验室和芝加哥大学宣布，它们已成功完成所谓的“量子环”试验，而“量子环”可以充当未来国家量子互联网的前体。 专家们说，量子技术还有助于推动人工智能平台的发展。 在一份最终报告的草案中，美国国家人工智能安全委员会说，量子技术将推动人工智能实现新的发展。该委员会受国会委托，致力于研究如何推进用于实现国家安全和国防目标的人工智能的发展。 今年1月，该委员会成员吉尔曼·路易在一次公开会议上说：“随着半导体制造商在微芯片设计方面达到物理极限，在下一代计算硬件方面领先对于在人工智能领域占据领导地位是至关重要的。”他指出，应该“优先考虑量子计算使用案例，为此类服务创造市场，并鼓励国内企业生产量子计算元件”。 委员会成员们在上述报告草案中说，虽然传统计算机可能仍是执行计算任务的最经济的方式，但量子计算机“有可能在涉及机器学习和优化、模拟物理系统以及收集和传输敏感信息的某些问题上超越传统计算机”。最终报告定于今年3月发布。 报告指出，量子计算机可以更有效地优化后勤运作，或者帮助发现新材料。 在量子计算领域，委员会成员们建议政府将基础研究转化为国家应用。 报告说：“美国在量子计算机研究方面处于领先地位，但可能会在现实世界应用方面失去优势。美国必须继续投资，要认识到量子技术的进步可能会推动未来人工智能的进步。” 此外，委员会成员们还建议，政府应通过国家人工智能研究资源工作组为外界提供接触量子计算机的机会。 委员会成员们说：“公布政府在量子计算机方面的使用案例将表明在应用方面存在市场，并将鼓励私营部门进一步投资。我们可以通过对相关支出进行税收减免、提供贷款担保和股权融资来鼓励国内企业设计和生产量子计算机，这将有助于解决目前在获取可信和安全的微电子技术方面所面临的困难。” 技术基础日益巩固 另据美国《科学日报》网站3月2日报道，当量子计算机变得更加强大和普及时，它们将需要一个强大的量子互联网来进行通信。 美国珀杜大学的工程师们已经解决了一个问题，这个问题原本会阻碍科学家开发大到足以可靠地服务一定数量用户的量子网络。 发表在美国《光学》杂志上的一篇论文展示了这些工程师想出的办法，它可以为大量量子计算机、量子传感器和其他量子设备联网并相互通信奠定基础。 该研究团队使用的是一种可编程交换机，它能通过选择和重新调配承载不同数据通道的光的波长来调整每个用户接收到的数据量。这样一来，随着网络扩大，就有可能在不增加光子损耗的情况下增加用户的数量。 如果光子丢失，量子信息就会丢失。光子在光纤网络中穿行得越远，这个问题就越有可能发生。 珀杜大学电子与计算机工程学特聘教授安德鲁·韦纳说：“我们展示了仅用一种设备——一个波长选择交换机（WSS）——进行波长路由的方法，其目的大体上是建立一个包含12至20名、甚至更多用户的网络。以前的方法需要以物理方式交换几十个固定的光学滤波器，而这些光学滤波器已被调到符合单个波长。这么做的话，就无法获得调整用户之间联系的能力，光子损耗的可能性也上升了。” 现在，每次有新用户加入网络时，工程师们无需添加上述滤波器，只需为波长选择交换机编写程序，将传输数据的波长调配给每位新用户。这不仅可以降低操作和维护成本，还能提高量子互联网的效率。 经过编程，波长选择交换机还可以根据用户的需求调整带宽，而固定光学滤波器是不可能做到这一点的。一些用户可能会使用对带宽要求较大的应用程序，比如，通过网络流媒体服务观看节目比发送电子邮件所需的带宽更大。
英特尔公司量子计算实验室的科学家正在工作。（英特尔公司网站） 量子网络优势巨大 对于量子互联网来说，在用户之间形成联系并调整带宽意味着分发纠缠——无论光子们相隔多远，它们相互间都能维持一种固定的量子力学关系，这样就能将网络中的用户联系起来。纠缠在量子计算和量子信息处理过程中发挥着关键作用。 珀杜大学电子与计算机工程学博士生纳温·林加拉朱说：“当人们谈论量子互联网时，他们的想法是在两个不同的站点——比如量子计算机——之间远程产生纠缠。我们的方法改变了不同用户分享纠缠态光子的速度。这些纠缠的光子或许可以充当一种资源，可使位于两个不同站点的量子计算机或量子传感器相纠缠。” 珀杜大学研究人员与美国橡树岭国家实验室科学家约瑟夫·卢肯斯合作进行了这项研究。该研究团队使用的波长选择交换机采用的技术与如今传统通信中用于调整带宽的技术类似。 这种交换机还能使用一种“柔性网格”（就像传统的光波通信如今正在使用的一样），为处于不同波长和位置的用户划分带宽，而非局限于一系列固定波长。 韦纳说：“我们第一次尝试接纳受这些传统通信概念启发而研发的东西，并利用类似设备来点明它对于量子网络而言具备的潜在优势。” 该团队正利用波长选择交换机建设更大的网络。这项工作得到了美国能源部、国家科学基金会和橡树岭国家实验室的资助。
美国能源部官员、阿尔贡国家实验室和芝加哥大学的科学家正在讨论“量子环”试验问题。（阿尔贡国家实验室网站） |
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