9月6日，美国国家量子计划咨询委员会（National Quantum Initiative Advisory Committee，NQIAC）发布《Quantum Networking: Findings and Recommendations for Growing American Leadership（量子网络：增强美国领导力的发现与建议）》。这份报告是对美国国家量子计划的第二次独立评估，重点关注量子网络及测试平台在量子网络技术研发中的作用。
来源：National Quantum Initiative Advisory Committee
量子网络（即量子互联网）的发展可能对美国经济和国家安全产生影响，为此，NQIAC专门成立了一个小组委员会，旨在提供专业建议并共同推动该领域的发展。从2023年10月至2024年8月，该小组委员会致力于收集有关量子网络研发、技术成熟度以及测试平台需求的信息。在此期间，小组委员会与美国政府代表、国家量子计划（NQI）授权的主要量子信息科学研究中心专家、国际上学术界和工业界的专家学者，以及量子经济发展联盟（QED-C）等组织进行交流。
2024年8月6日，NQIAC在一次公开会议上审议了基于这些调研的发现和建议。报告主要介绍了六项重要发现和七项关键建议，旨在巩固美国在量子网络科技领域的领先地位。以下为对该报告中发现与建议的编译。
六项重要发现
发现1：量子网络将在美国经济增长与国家安全中发挥作用，但作用程度还需通过持续的研发才能明确。
量子网络预示着通信领域的新突破，它能够分布量子态或实现量子纠缠。纠缠作为一种物理资源，与传统网络传输的资源截然不同，对于实现和推动分布式量子计算和量子传感等量子技术至关重要。量子网络并非旨在取代传统网络，而是为新型通信和数据处理提供了新的可能，将传统网络的功能扩展至量子信息传输领域。
尽管量子网络拥有强大的应用前景，但同时也带来了新的安全挑战。美国将继续投入资源研发量子网络，以便更深入地理解其在安全方面的利益与风险。虽然国家量子计划咨询委员会已经认识到量子网络在某些应用（如分布式量子计算）中的价值，但对于其他应用的影响尚不明确。
在全球范围内对量子技术的投资持续增加的背景下，如果不对量子网络进行研发投资，将可能丧失国内的专业知识和供应链，以及错过前沿性技术的先发优势。因此，国家需要继续投资量子网络的研发，无论是通过量子网络支持的通信、传感还是分布式量子计算。
发现2：美国政府需继续加大研发投资，以确保实现量子网络在实际应用中的优势。
NQIAC发现，要想充分理解、开发和应用量子网络，就必须克服一系列科学和工程研发方面的挑战。这需要持续的研发支持，涵盖从理论基础到设备开发、系统集成，再到技术应用案例、性能指标及其对下游产业的影响等多个方面。尤为关键的是，我们需要通过研发来明确量子网络在哪些领域能够提供超越现有技术的显著优势，并创造经济价值。
专家在小组委员会的交流中频繁提到的量子网络应用包括量子密钥分发（QKD）、分布式量子计算和分布式量子传感等。这些应用领域可能需要不同的组件、操作环境和使用场景，因此，为了取得进展，需要多样化的研究领域和基础设施。
为了在量子网络领域取得领先地位，美国政府需要持续投资研发，以培养国内的专业知识，打造量子网络供应链，使美国的工业界能够率先推出基于量子网络的重要创新技术，并判断何时需要对量子网络基础设施进行投资。
发现3：量子网络的研发可以助推其他量子信息科学技术的进步。
量子网络的进展有望对量子信息科学（QIS）的其他领域产生深远影响。例如，转换技术的进步——将量子态从一种物理形态转换为另一种，如从基于物质的量子比特转换为光子量子比特——可能会推进分布式量子计算和分布式量子传感的发展。同样，存储器、光子源、探测器以及集成光子学的发展，不仅与量子传感和计算平台息息相关，也将有助于连接量子系统与传统平台。联邦政府对量子网络研发的持续投资将有助于识别和培养成熟的通用使能技术。
此外，对分布式量子纠缠在QIS中作用的基础理解的延伸，最终将影响量子算法、量子信息理论以及其他领域理论基础。分布式量子态的潜在用途尚未被完全挖掘，研究进展可能会发现新的应用领域。随着我们越来越擅长开发和利用纠缠的技术，量子信息科学的其他领域也将受益，衍生技术也可能在其他领域展现出其适用性。
发现4：与量子网络相关的“测试平台”一词，在使用上存在歧义。
由于测试平台与演示器、原型和用户设施不同，NQIAC将在建议中使用以下定义：测试平台是一个多用户可访问的平台或设施，它用于对组件技术、协议和系统集成的可复制和严格测试。
在研发过程中，原型、演示器、用户设施和测试平台都扮演着至关重要的角色。小组委员会在与利益相关者的会面中发现，“测试平台”这一术语的使用缺乏一致性，导致了对美国测试平台部署情况的误解。原型允许在软件层、设备、组件或子系统级别进行测试，它们通常位于实验室环境中，目的是深化对技术和设计的了解。演示器则展示了特定技术的早期形态，但它们并不专注于技术的迭代改进和比较性测试。用户设施为研究人员提供了共享的实验基础设施，用于研发活动，尽管这些设施并不总是为了改善自身。
相比之下，测试平台使得跨学科的研究团队能够通过可复制的、比较性测试，研究和迭代改进由多种技术组合而成的系统性能，从而学习如何最佳地实施一个稳健的系统。因此，尽管原型、演示器和用户设施具有重要性，但它们并不能取代测试平台的作用。例如能源部（DOE）科学办公室下属的用户设施，如果允许用户更换设施的组件或协议来测试这些变化对系统的影响，那么它们也可以被视为测试平台。
量子网络测试平台需要整合系统的多个层面——包括硬件、软件和协议——以构建一个功能性平台。测试平台可以根据不同的距离规模或应用场景进行分类。当被允许组件互换或重新配置来进行比较性测试，以及能够揭示新研究、新需求或用例时，测试平台的作用尤为显著。
发现5：早期的量子网络原型、演示器和测试平台已投入运行，但实际影响效果尚未可知。
不同于当下的传统网络，量子网络旨在利用新的量子资源——量子态的叠加和纠缠。构建一个功能齐全且可扩展的量子网络是一个巨大的挑战，需要多个学科的共同推进。自NQI法案通过以来，美国政府已经投资了约5亿美元用于量子网络的研发。此外，国内外在量子网络系统方面也有相当可观的商业和国家投资。全球范围内（包括美国在内）都有量子网络测试平台，其中演示器和原型的数量更多。
尽管在量子网络领域已经取得了显著进展，但这些早期量子网络系统所采用的基本技术尚未成熟到可以用于分布式量子计算或传感应用的程度。专注于量子密钥分发或非常低速率纠缠分发的演示还处于发展初期，并且规模较小，目前很难评估它们对整个领域的影响或更广泛的应用前景。
发现6：把握好战略选择和适当时机，量子网络测试平台可以在量子信息科学领域发挥重要作用。
在技术足够成熟，并且可以在现实环境、模拟可能的系统或集成多个组件以评估系统设计时进行严格测试的前提下，量子网络测试平台在新兴技术的开发过程中为科学界提供了关键的技术资源。例如，ARPANET的早期测试平台加速了互联网的普及，并且已经建立了各种测试平台来开发和测试包括智能电网应用在内的工业控制系统的安全。测试平台还可以揭示系统工程挑战和系统栈中的集成复杂性，这些在原始的实验室环境中可能并不明显。
NQIAC发现，战略性选择和及时部署量子网络测试平台对于开发量子信息科学和量子力学的理论基础、技术、安全模型以及应用场景同样重要。这些测试平台将有助于深化我们对量子信息科学和量子力学的理解。量子网络测试平台应当成为评估和比较不同组件技术和协议的资源，并能够支持对系统级模型的研究，从而有助于量子网络及其相关技术的发展和快速部署。
对于一些成熟度较低的组件技术，将通过实验室规模的原型或演示器中的持续研发投资获益。而对于那些更为成熟且能够集成到功能性系统中的技术，则可能从测试平台所提供的可重复的、严格测试中受益。适时组成的、由足够成熟技术构成的测试平台对于改进量子网络的可扩展性部署和现实世界操作至关重要。
七项关键建议
建议1：继续支持量子网络及其应用和使能技术的研究。
美国在量子网络领域已经取得了显著进展。尽管如此，仍有许多尚未充分探索的前沿领域。例如，量子网络的优势仍不明确，这为建立明确的目标和指标提供了机会，以便开发出既符合机构使命又在性能上显著超越传统方法的应用。
理解量子纠缠分发的科学和经济动因，对于量子网络领域来说，既是一个关键挑战也是一个重大机遇。因此，NQIAC建议美国政府继续资助国防部、能源部、国家航空航天局、国家标准技术研究院和国家科学基金会等机构在量子网络关键设备和组件的基础科学和工程研究，并随着领域的发展为其他机构提供资金。应当着重识别那些真正需要量子网络技术，并能显著提升性能的应用。来自研究界、行业、联盟和专题研讨会的关于潜在应用的反馈，将有助于识别关键的机遇。
在功能性量子网络成为现实之前，我们仍面临若干技术挑战，报告中概述了一些挑战，这要求政府加强在量子网络领域的工作力度，以便迅速应对这些问题。需要在量子存储器、量子态转换器、量子中继器、光子源和探测器以及先进的传输介质等关键组件上取得突破。此外，还需要对设备、组件和系统、协议、网络操作系统、算法等进行全方位的工程整合，以解决系统工程方面的挑战。随着技术和设备展现出实际应用的潜力，应该确定它们作为进一步投资的重点。
量子网络并非量子信息科学的孤立领域。在这一领域取得的进步将惠及计算、传感以及对量子力学基础的理解。因此，对量子网络的资金支持应当与量子信息科学的其他领域相匹配，对量子网络研发的支持也应当与其他量子信息科学领域的目标保持一致。
建议2：鼓励定义、发展和使用指标来衡量量子网络技术及其应用的进展。
量子计算的研究推动了社区参与，其中包括召开会议讨论量子比特材料、设备、处理器以及量子计算系统的度量标准。目前，已有若干度量标准被建立并投入使用，用以追踪量子比特的发展进程，这些标准往往基于量子比特设备和应用的具体特性。同样，为量子网络技术和系统开发跟踪度量标准也是至关重要的，鼓励通过论坛——包括会议和研讨会——来深入讨论和严格评估这些新的度量标准。因此，NQIAC建议，在努力开发量子网络技术和测试平台的同时，也应该鼓励相关度量标准的发展，以便比较和跟踪技术开发。
当技术达到能够使用户评估量子网络的成熟度时，将开发基于应用的度量标准，以指导系统级技术的实施。例如，分布式量子计算可能需要掌握纠缠的度量标准，包括速率、保真度、延迟和定时抖动等，以编译应用程序。量子网络性能也可能影响分布式量子传感，但这在不同方式上可能会依赖于所使用的传感器类型。
建议3：支持开发用于描述量子网络功能层的协调模型。
NQIAC建议投资研究，目的是定义一个包含经典网络组件和要求的量子网络协调模型。协调模型定义了网络的抽象层、接口和功能，使得跨学科的研发和不同领域的专家能够参与到整个栈和系统中。
对于传统网络，一个典型的协调模型是开放系统互联（OSI）模型，它将网络功能划分为七个层次，从物理层（包括光传输器和光纤）开始，一直到应用层结束（例如网络浏览器如何利用互联网数据）。该模型允许模块化系统设计和故障排除，并提高了协议开发的清晰度。量子网络的类似模型应该包括经典和量子层，以实现协议，并配置和控制量子网络特性。随着技术的发展和成熟，测试平台应该测试协议，并聚合更复杂的系统功能，创建新的量子网络层模型。
尽管量子网络处于早期研究阶段，但已经可以定义模型的层次，并考虑量子和传统网络之间的必要交互。因此，测试平台应该鼓励不同学科的研究人员参与，以探索量子技术、协议和应用的复杂权衡空间。测试平台可以通过使研究人员能够评估和分析模型的每个层或功能，适当选择的一组度量或性能指标，来加速和跟踪量子网络的进展。
建议4：当测试平台既“规模适中”又“时机恰当”时，应分配联邦资金用于量子网络测试平台。
为了确保测试平台在投资、范围和目标上的合理规模，必须明确了解正在测试的内容。而确定建立测试平台的最佳时机，则需要依赖于技术的成熟度。因此，为了在适当的规模和正确的时机建立测试平台。NQIAC建议新政府资助的测试平台应该：
明确阐述科学或经济前景。
定义具体的科学或工程研究目标。
提出衡量朝着目标进展的指标。
解释为什么需要专门的测试平台而不是原型和演示器。
尽可能加强地区在量子网络技术方面的学术研究、工业能力及市场投资。
随着时间的推移，测试平台的不同规模和操作环境对于测试量子网络的各个方面将变得日益重要。目前，许多量子网络技术尚未达到建立测试平台所需的成熟度。各机构在制定测试平台计划时，应广泛征求利益相关者的意见，并确保测试平台的资金支持与技术需求同步发展。尽管如此，NQIAC已经识别了一些潜在的测试平台示例。例如，现在可以建立中小型测试平台，使研究人员和技术开发者能够在各种介质（如光纤、自由空间等）的相关波长和距离上测量量子态传输的速率和保真度。可以对新的传输方法，例如中空光纤或真空波导，与传统介质进行比较。这样的测试数据对于进行未来基础设施投资的明智成本效益分析至关重要，便于部署量子网络技术。
当前技术可以支持建立长度几公里的测试平台，为涉及分布式纠缠、时间传输或量子密钥分发等科学实验建立性能指标。当转换设备足够成熟，能够在纠缠分发应用中展示出有用的功能时，例如在分布式量子传感或计算中，就需要建立其他的点对点量子网络测试平台。长途测试平台将需要量子中继器和更多的资源，并且只有在技术成熟度足以支持有前景的经济或科学应用时才应获得资助——例如，用于计算的非常长基线干涉测量或更远距离的纠缠分发。对于复杂的长途量子网络测试平台，如果科学或技术前景合理，可能需要额外的资金支持。
建议5：支持并促进行业伙伴参与量子网络测试平台。
行业专家的知识和参与对于确定量子网络测试平台的范围及其有效利用至关重要。这些专业知识操作环境、传输介质、成本效益分析、可制造性和可扩展性要求，以及协调模型等方面，同时也包括了与安全、对抗性因素、道德实践、系统集成和广泛客户需求相关的考量。行业在测试平台的开发中的融合和参与对于确保技术以支持工业和政府用户的商品化和部署的方式进行测试和实施非常关键。由于行业合作伙伴的业务依赖于发现有价值的应用，因此他们的参与将增加量子网络技术的经济影响力。
通过参与量子网络测试平台，行业也有机会从政府和其他实体的技术评估中学习，从而获得宝贵的知识和经验。这样的反馈不仅提供了对操作要求、性能和潜在技术风险的深入理解，而且使行业能够在参与测试平台的过程中既是建设者又是学习者。
联邦政府在建立测试平台时，还应考虑州、地方、部落和地区政府以及学术界和行业的现有区域投资。将区域能力纳入测试平台的规划中可能会产生连锁效应，例如，通过利用区域资源来帮助劳动力培训和加速技术开发，从而增强联邦资金的影响。
建议6：优先考虑新的资金拨款和开发新的机制，以促进与国际盟友和合作伙伴在量子网络研发方面的合作。
全球范围内，众多国家和地区已经在量子网络技术的演示、原型开发以及部分测试平台上投入了巨额资金。许多非美国本土的世界级科学家和研究机构在量子网络相关领域展现出了令人瞩目的研发专长、技术进步和协作能力。与理念相近的国家开展国际合作不仅有助于预防美国在技术上的落后，还能通过集体智慧解决单一国家难以独立应对的众多技术挑战，从而加快美国的研发进程。此外，这种合作也有助于推动科学外交，弘扬合作与联合研究的精神。最终，与国际领先机构的合作将有助于人才的引进、培养和成长。
各机构应继续基于其使命需求，资助国际研发合作项目。NQIAC进一步建议美国政府设立新的专项资金，用于支持与盟友和合作伙伴共同进行的国际研发项目。在考虑国际合作时，应优先选择那些能够实现互利共赢、加速研发进程或能提供超越美国现有能力的合作项目。通过持续关注并利用国际上在该领域的投资，这些合作将进一步提升美国的竞争力。
建议7：利用量子网络测试平台培养多样化的量子劳动力。
量子技术及其测试基础设施的成本颇为昂贵。量子网络测试平台能够降低新方法的财务门槛，进而扩大学术界、政府和工业界的研究人员与创新者的参与。这些测试平台也应向不同学科背景的个人开放，以促进科学研究、增强跨学科能力，并与现有的多种技术和环境相融合。
随着技术的不断成熟，美国政府应确保量子网络测试平台能够为学生、科学家、工程师、技术人员和操作员提供在系统层面、接近现实的教育和培训机会。这些测试平台应补充正在进行的设施、项目和工业活动，并应构建以确保全国研究人员的广泛访问。
NQIAC建议在选址测试平台时应充分考虑地区的能力，包括非R1类的大学、历史上的黑人学院与大学以及服务于少数族裔的机构、职业教育课程、工业界以及基础设施等，以确保不同背景的科学家、研究人员、学生和工程师都有机会学习到新的量子信息科学技能。
上述发现和建议均建立在2020年美国国家量子协调办公室关于《A Strategic Vision for America’s Quantum Networks》报告和2021年美国国家科学技术委员会量子信息科学小组委员会关于《A Coordinated Approach to Quantum Networking Research》报告的基础上。
结 论
NQIAC研究发现量子网络技术对促进美国经济增长和保障国家安全具有重大意义。尽管如此，要准确评估这一影响的具体规模和特点，还需依赖于持续的研发工作。美国政府在研发上的持续投入对于挖掘量子网络的潜力、识别潜在风险以及推动那些与国家机构使命紧密相关或相较于传统方法具有显著优势的应用至关重要。
这份报告归纳了六项重要发现，并提出了七项关键建议，若能遵照执行，将有助于美国政府集中资源，应对量子网络领域所面临的主要技术挑战，清晰界定量子网络相关概念（例如测试平台），并拓宽国家在量子信息科学研究领域的应用范围。
随着技术的不断进步，美国的科技政策也可能需要作出相应调整，以匹配科学认知的深化。总而言之，美国必须持续加大投资力度，以维护并加强其在量子信息科学，特别是量子网络技术领域的科技领先地位。
参考链接
[1]https://www.quantum.gov/wp-content/uploads/2024/09/NQIAC-Report-Quantum-Networking.pdf
[2]https://www.quantum.gov/wpcontent/uploads/2023/12/NQI-Annual-Report-FY2024.pdf
[3]https://www.darpa.mil/about-us/timeline/arpanet
[4]https://ieeexplore.ieee.org/document/9471765
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