美国能源部发布量子互联网发展蓝图

编者按：量子技术可以改变信息处理方式并为主导该技术的国家带来巨大的经济和国家安全优势，量子技术研发已经成为当前全球各国竞争的焦点。美国官员和科学家7月23日宣布，美国能源部和芝加哥大学牵头的一个小组计划开发一个全国性的量子互联网网络。该网络将与全球现有网络并行，利用量子力学定律提供一种更安全的发送和处理信息方式，并连接新一代的计算机和传感器。美国能源部当日还发表蓝图文件，为量子互联网发展设立了四大优先研究方向及五大关键里程碑。奇安网情局编译有关情况，供读者参考。

一、量子互联网：利用光子“纠缠”传输信息

量子技术试图控制原子、光子和电子的独特特性来构建功能更强大的计算机和其他工具来处理信息。量子互联网依靠表现出量子状态（即“纠缠”）的光子，使它们能够在没有物理连接的情况下长距离共享信息。

在量子互联网中，存储信息的光子将被“纠缠”，即阿尔伯特·爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”的量子力学效应，并综合运用光缆、无线通信技术和卫星在城市间传输。

尽管相距很远，但纠缠的光子彼此链接。如果黑客试图在传输过程中的任何时候截取纠缠在光子中的信息，光粒子的特性将受到干扰，并且纠缠将被破坏。例如，一封电子邮件对黑客来说似乎是混乱的，对接收电子邮件的人来说也是如此。能源部负责科学的副部长保罗·达巴尔称，“根据物理学，量子网络是绝对安全的。”

创建纠缠的光子并使它们在信息传输到全国各地的过程中保持纠缠，是物理学家在创建量子互联网时将要面对的一项技术挑战。

芝加哥大学和阿贡国家实验室的物理学家、量子互联网的主要负责人之一戴维·奥沙隆表示，一种方法是使用一种被称为非线性光学晶体的特殊晶体，当这种晶体被光脉冲激发时，它会产生数个纠缠的光子。

科学家们目前正在尝试在这种新互联网的节点上放置所谓的量子中继器，以确保信号下降时光子保持纠缠，这在全国互联网上传输数据时不可避免。

中继器是当今互联网中常用的设备，因为在传输过程中，信号强度在大约20英里后开始下降。奥沙隆表示，量子中继器尚处于发展的早期阶段，但显示出令人鼓舞的结果。

二、第二个互联网：由局部到全国，由专用到民用

由美国能源部和芝加哥大学牵头的一个小组计划开发一个全国性的量子互联网，该互联网可以在大约十年后开始运行，并且有潜力安全地传输与国家安全和金融服务相关的敏感信息。

保罗·达巴尔表示：“我们正在建设量子网络，有朝一日该网络将变成一个完整的第二互联网，即与数字互联网并行的互联网。”

该项目将由特朗普总统的国家量子计划分配的12.75亿美元预算的一部分资助，该计划旨在加速量子信息科学的研究和开发，相关研究包括基于量子的通信和量子计算。开发量子互联网的团队将包括大约50家机构，能源部及其17个国家实验室将构成该项目的骨干。

芝加哥大学普利兹克大学分子工程学院教授、阿贡国家实验室资深科学家戴维·奥沙隆称，互联网项目是美国量子研究计划的支柱。

政府参与量子互联网的发展映照了互联网的历史，互联网的前身是美国国防部在1969年开发的ARPANET。大约20年后，互联网的商业使用变得广泛。

量子互联网网络的各个部分已经在各个国家实验室建立并运行。在芝加哥地区，阿贡国家实验室建立了一个52英里的量子网络。大约一年后，该网络将与附近的费米实验室连接，以建立一个80英里的测试台。在纽约，石溪大学和布鲁克海文国家实验室建立了另一个80英里的量子网络。

芝加哥地区的费米国家加速器实验室量子科学负责人帕纳吉奥蒂斯·斯彭佐里斯称，该计划通过使用装有量子通信硬件的光缆、卫星和无人机，在全国范围内逐渐连接这些本地网络。

研究人员说，仍需要开发一种被称为量子中继器的关键硬件，以在长距离上放大量子网络的信号。研究人员称，量子互联网的最初用户可能包括寻求更安全地发送数据的国家安全机构、金融机构和医疗保健公司。

斯彭佐里斯称，消费者最终也可能会进入量子互联网，购买产品以降低其信用卡详细信息被黑客入侵的风险，或者发送和接收敏感的个人信息，例如健康记录或社会保险号；消费者在购物和发送信息时可能会在常规互联网和量子互联网之间进行无缝浏览，而不必知道他们正在切换平台。

三、未来应用：传感器网络+量子计算+安全通信

由于光子和其他量子比特的性质，量子互联网有望变得更加安全，有些人甚至称之为不可入侵。科学家称，任何观察或破坏这些粒子的尝试都会自动改变它们的状态并破坏正在传输的信息。

量子互联网也可以用于将各种量子计算机彼此连接，从而帮助提高其总计算能力。奥沙隆称，量子计算机仍处于发展的初期，还没有古典计算机强大，但是通过互联网连接它们可以帮助加速其用于解决诸如发现新药物或新高科技材料等复杂问题的速度。

近期，美国能源部举行有系列相关研讨会，得出结论认为，量子网络技术的近期应用体现在以下三个方面：

传感器网络。量子时钟网络是一种常见的应用，它创建了一个网络可以显著提高某些现象（如重力波）的测量精度。也可以链接启用量子的望远镜网络以锐化和增强聚合图像。同时，量子计量学可以实现更精确的成像技术，例如显微镜或光学和电磁成像。
升级量子计算。量子网络可用于连接到量子计算系统，从而在不挑战经典系统与量子系统之间“过渡”的情况下提供访问。分布式量子计算通过量子网络链接许多较小的量子计算机。所得的分布式量子计算系统以单个量子计算机目前无法实现的规模提供计算能力。
安全的量子通信。量子互联网提供终极安全通信的能力将成为核心应用。当前，量子密钥分发是安全量子通信的主要研究重点，而量子信道上的信息交换（具有检测任何拦截的能力）提供了最终的安全通信。这种未来解决方案的早期采用者将出现在国家安全、银行业和能源输送基础设施等领域。

四、路线图：优先研究方向+里程碑

美国能源部7月23日发表《从长距离纠缠到建立全国性量子互联网：美国能源部量子互联网蓝图研讨会》报告，展现2020年2月美国能源部先进科学计算研究办公室主办量子互联网蓝图研讨会的成果，定义了建立第一个全国性量子互联网的潜在路线图，并确定了四大优先研究方向及五大关键里程碑。