多家美國媒體近日報(bào)道稱，美國能源部（DOE）提出建立全國性量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍(lán)圖，希望在10年內(nèi)完成。該量子互聯(lián)網(wǎng)利用量子力學(xué)定律，能比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更安全地傳輸信息，“幾乎無法被黑”。

據(jù)澎湃新聞此前報(bào)道，今年2月份，美國白宮網(wǎng)站就發(fā)布了一份《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》，提出美國將開辟量子互聯(lián)網(wǎng)，確保量子信息科學(xué)惠及大眾。

事實(shí)上，美國并非首個(gè)提出“量子互聯(lián)網(wǎng)”藍(lán)圖的國家。早在2017年，若干歐洲研究機(jī)構(gòu)就成立了“量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”（QIA），計(jì)劃近年在荷蘭完成包含3-4個(gè)量子中繼節(jié)點(diǎn)的鏈路演示，為未來的泛歐量子互聯(lián)網(wǎng)勾勒藍(lán)圖。

業(yè)內(nèi)專家表示，量子互聯(lián)網(wǎng)可以理解為量子通信技術(shù)支撐的一種產(chǎn)生和使用量子資源的新型功能網(wǎng)絡(luò)。它不是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的替代，而是為互聯(lián)網(wǎng)加上新功能的新型基礎(chǔ)設(shè)施?！皫缀鯚o法被黑”的量子密碼網(wǎng)絡(luò)只是量子互聯(lián)網(wǎng)的其中一部分功能，其終極階段將是用量子隱形傳態(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。

正因如此，量子互聯(lián)網(wǎng)對人類在原子尺度上精確操縱物質(zhì)的能力提出了極高要求，很多關(guān)鍵技術(shù)瓶頸尚未突破。

那么，此次美國公布的戰(zhàn)略藍(lán)圖打算如何解決這些問題？

澎湃新聞?dòng)浾吡私獾?，此次?zhàn)略藍(lán)圖為美國能源部先進(jìn)科學(xué)計(jì)算研究辦公室2月份初召開的一次研討會(huì)的成果報(bào)告，參與方包括美國能源部下屬國家實(shí)驗(yàn)室、高校、產(chǎn)業(yè)界和相關(guān)政府部門。他們?yōu)閯?chuàng)建首個(gè)全國性量子互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)線路圖，“列出必須的研究綱要，細(xì)化工程和設(shè)計(jì)障礙，并建議從目前局限性的地方網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)走向可行、安全的量子互聯(lián)網(wǎng)?！?/p>

報(bào)告的核心信息包括兩大部分：四大優(yōu)先研究方向和五大實(shí)施節(jié)點(diǎn)。

四大優(yōu)先研究方向

優(yōu)先方向一：為量子互聯(lián)網(wǎng)提供基礎(chǔ)性積木

關(guān)鍵問題：量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵積木是什么，以及它們需滿足怎樣的表現(xiàn)指標(biāo)？

這里面具體涉及到開發(fā)關(guān)鍵部件的技術(shù)和平臺，包括量子限制探測器、超低損耗互連、空對地連接、經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議；

產(chǎn)生糾纏和超糾纏態(tài)的產(chǎn)生，傳輸、控制和測量量子態(tài)；

將量子源和信號從光學(xué)和電信波段轉(zhuǎn)移到量子計(jì)算機(jī)相關(guān)波段，包括微波；

開發(fā)與基于光學(xué)或電信波長光子的量子比特兼容的量子存儲(chǔ)器和小規(guī)模量子計(jì)算機(jī)；

利用量子中繼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)（地面和天基），探索小規(guī)模和大規(guī)模量子處理器之間長距離糾纏的新算法和應(yīng)用。

優(yōu)先方向二：整合多個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

關(guān)鍵問題：如何克服將多個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合成高性能量子互聯(lián)網(wǎng)部件的物理障礙？

這里涉及的技術(shù)包括用通過系統(tǒng)級工程統(tǒng)一現(xiàn)有組件的工作特性（帶寬、波長、占空比）；

用高速率（GHz）量子糾纏源、量子存儲(chǔ)緩沖器、探測器補(bǔ)償級聯(lián)操作損耗；

進(jìn)一步開發(fā)關(guān)鍵量子網(wǎng)絡(luò)組件，如高度、低損耗量子開關(guān)和多路復(fù)用技術(shù)。

優(yōu)先方向三：為量子糾纏創(chuàng)建中繼、開關(guān)和路線

關(guān)鍵問題：如何創(chuàng)建為全國性量子互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)？

核心技術(shù)是利用基于量子糾纏交換原理的量子中繼器，超越一對固定目的地之間的簡單糾纏分發(fā)。

優(yōu)先方向四：實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)功能的糾錯(cuò)

關(guān)鍵問題：如何實(shí)現(xiàn)能容錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)功能？

解決方案在于找支持糾纏分發(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。

五大節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)一：現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)上驗(yàn)證安全量子協(xié)議

這一步僅涉及到量子密鑰分發(fā)，是量子網(wǎng)絡(luò)的雛形演示。據(jù)澎湃新聞此前報(bào)道，隸屬于美國能源部的橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯兩大國家實(shí)驗(yàn)室6月宣布通過在城市變電站中安置可信節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中三個(gè)量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)的中繼。這可以視作節(jié)點(diǎn)一的初步完成案例。

節(jié)點(diǎn)二：校園或城市間糾纏分發(fā)（量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）

這一步相比起節(jié)點(diǎn)一，波動(dòng)、損耗和錯(cuò)誤容耐度更低，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)和量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)初步整合。大芝加哥地區(qū)正在建設(shè)的伊利諾伊快線量子網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)例子，站點(diǎn)包括西北大學(xué)、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和阿貢實(shí)驗(yàn)室。

節(jié)點(diǎn)三：運(yùn)用糾纏交換實(shí)現(xiàn)城際量子通信（量子存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)）

這一步需要用到初級的量子存儲(chǔ)器和量子中繼器。紐約長島地區(qū)的石溪大學(xué)和布魯克海文實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃將量子網(wǎng)絡(luò)延伸到曼哈頓地區(qū)，建成后將是世界上第一個(gè)量子中繼網(wǎng)絡(luò)。

節(jié)點(diǎn)四：運(yùn)用量子中繼器實(shí)現(xiàn)州際量子糾纏分發(fā)

到這一步，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將相互融合。量子互聯(lián)網(wǎng)并非獨(dú)立存在。量子信息被編碼在光子中，通過經(jīng)典光纖傳輸。不過，由于量子信息不能像傳統(tǒng)數(shù)字信息一樣放大，短期內(nèi)衛(wèi)星可以作為中介“橋梁”，長期來看則需要高效、健壯的量子中繼器。預(yù)計(jì)橫跨大西洋的鏈路需要100余個(gè)中繼器。

節(jié)點(diǎn)五：建立實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間的多方生態(tài)系統(tǒng)，從演示向運(yùn)行過渡。

要點(diǎn)包括：使用全球網(wǎng)絡(luò)公司的可用設(shè)施；

利用ESnet的光學(xué)同步技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)配置更高通信級別的復(fù)雜量子網(wǎng)絡(luò)；

制定低成本從商業(yè)合作伙伴處購買（或租賃）光纖基礎(chǔ)設(shè)施的方案；

與光纖供應(yīng)商合作敲定光纖質(zhì)量、地圖、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和損耗；

探索空間優(yōu)化以設(shè)立光纖交換點(diǎn)的可行性；

在專業(yè)初創(chuàng)公司的協(xié)助下發(fā)展一批支持新型量子網(wǎng)絡(luò)的“量子智能”勞動(dòng)力；

與專業(yè)研究中心和其他就合作，建立可復(fù)制、可部署的量子通信硬件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室或美國航天局同期研發(fā)的空間光學(xué)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)；

推動(dòng)大型通信公司采用第一代量子通信設(shè)備。