量子網(wǎng)絡(luò)會不會取代互聯(lián)網(wǎng)？各國發(fā)展如何？

盡管量子信息產(chǎn)業(yè)仍處于萌芽狀態(tài)，一張雄心勃勃的“量子互聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想已然成為嚴(yán)肅議題。

今年來，美國和歐盟先后出臺重量級的量子技術(shù)戰(zhàn)略性文件，均把“量子網(wǎng)絡(luò)”（Quantum Network）和“量子互聯(lián)網(wǎng)”（Quantum Internet）作為遠景目標(biāo)。

這個引人注目的概念實現(xiàn)了目前人類對所有量子技術(shù)想象的大一統(tǒng)，它是實現(xiàn)“量子云計算”的方式，它是量子信息傳輸和儲存的平臺，它是竊聽必留痕跡的量子密碼的交換渠道，它還能組建一臺世界性原子鐘，重新定義時間同步性。

在這個宏大意義上，中國在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)上雖然走在世界前沿，但僅僅邁出了“量子互聯(lián)網(wǎng)”的第一步。尤其是長距離量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中的中繼站點仍沒有得到量子技術(shù)的充分保護，這個問題也是國際規(guī)劃的主要發(fā)力點之一，需要量子糾纏、天基鏈路、量子存儲等領(lǐng)域的技術(shù)突破。

為了便于理解其顛覆性，“量子互聯(lián)網(wǎng)”常常與1960年代由美國軍方研制，后來飛入尋常百姓家的互聯(lián)網(wǎng)相提并論。不過，正如量子計算機不能取代經(jīng)典計算機，不管是從其根本目的還是其經(jīng)濟成本來說，量子互聯(lián)網(wǎng)并不會取代現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)。

問題一：什么是量子互聯(lián)網(wǎng)？

在美國白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室今年2月份公開的《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》（下簡稱“白宮量子構(gòu)想”）中，比較籠統(tǒng)地將量子互聯(lián)網(wǎng)描述為一張由量子計算機和其他量子設(shè)備組成的龐大網(wǎng)絡(luò)。

該文件專門借用美國軍方首創(chuàng)的互聯(lián)網(wǎng)來描述量子互聯(lián)網(wǎng)的顛覆性遠景：“它將催化出許多新興技術(shù)，從而加速現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，提高通信安全性，并使計算技術(shù)發(fā)生劇變。”

中國量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、中科院院士潘建偉在2019年接受《國家科學(xué)評論》（NSR）專訪時也以經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)引出了量子互聯(lián)網(wǎng)：“眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)是用于傳遞、處理和儲存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網(wǎng)則可以對量子信息進行同樣的傳遞、處理和存儲。量子比特和量子糾纏（量子比特互相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)）將是量子互聯(lián)網(wǎng)的基本資源。”

歐洲量子技術(shù)旗艦計劃3月發(fā)布的一份戰(zhàn)略研究議程（下簡稱“歐洲量子議程”）的描述將上述兩種說法串聯(lián)拿起來：量子計算機、模擬器和傳感器通過量子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，分配信息和量子資源（如相干、糾纏），從而保障數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

我們可以總結(jié)出，量子互聯(lián)網(wǎng)之所以冠以量子之名，實具備三大要點：一是該網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備是量子設(shè)備，二是該網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁Y源是量子特性，三是該網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞揭蕾嚵孔訖C制。

當(dāng)然，像商用量子計算機這樣的先進量子設(shè)備仍遙遙無期，要連接量子計算機的成熟量子互聯(lián)網(wǎng)總體上確是未來概念。

問題二：量子互聯(lián)網(wǎng)與量子保密通信網(wǎng)的關(guān)系是什么？

從現(xiàn)階段看，中國在量子保密通信網(wǎng)的建設(shè)上走在世界前列。

潘建偉認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)首要的實際任務(wù)是以一種無條件安全的方式進行全球性的密鑰共享，也就是說，量子信息是完全防篡改的。

如果將隨機產(chǎn)生的密碼編碼在光子的量子態(tài)上，依據(jù)量子不可克隆定理，一個未知的量子態(tài)不能夠被精確地復(fù)制，一旦被測量就會被破壞。因此，一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，一定會被發(fā)現(xiàn)。只有使用雙方約定的“打開方式”，才能得到正確的密碼信息。

量子不可克隆定理雖然保證了這種量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)被竊聽必留痕跡，但也在工程上帶來了無法像電信號一樣被增強的難題。光子通過長距離光纖傳輸，必然會產(chǎn)生損耗。

2017年，全長2000余公里的世界首條量子保密通信骨干線路“京滬干線”開通，設(shè)置32個站點，采用“可信中繼”方案，通過人工值守、網(wǎng)絡(luò)隔離等手段保障中繼站點內(nèi)的信息安全。

雖然“可信中繼”用經(jīng)典技術(shù)手段防止了鏈路節(jié)點入侵，但相對于量子通信可理論證明的安全性，中繼站還是“量子魔法”的斷點，目前的“量子密碼”需要時間來實現(xiàn)“純量子鏈路”。

另一方面，量子保密通信傳輸?shù)氖请S機生成的量子密鑰，而非內(nèi)容信息。

對照此前所說的量子互聯(lián)網(wǎng)定義，它尚不能連接量子計算機等前沿量子設(shè)備，也不能傳輸糾纏等量子資源，傳輸機制并未實現(xiàn)完全的“量子化”。

“京滬干線”設(shè)備供應(yīng)商科大國盾量子技術(shù)股份有限公司（以下簡稱國盾量子）總裁趙勇認(rèn)為，各國推進的基于量子密鑰分發(fā)（QKD）的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)就是“量子互聯(lián)網(wǎng)”的初級階段，首先實現(xiàn)信息安全方面的應(yīng)用，最終的目標(biāo)是“全量子網(wǎng)絡(luò)”，將量子計算、量子傳感和測量等功能融入進來，形成量子安全網(wǎng)絡(luò)、分布式量子計算和量子傳感網(wǎng)絡(luò)。

“從初級到終極，信息安全應(yīng)用的定位貫穿量子網(wǎng)絡(luò)的始終，而量子密鑰分發(fā)也將隨著網(wǎng)絡(luò)的升級而升級，貫穿始終。”他說道。

問題三：量子互聯(lián)網(wǎng)需要哪些關(guān)鍵技術(shù)？

量子互聯(lián)網(wǎng)遠景需要量子通信、量子精密測量、量子計算等領(lǐng)域全方位的突破，鑒于一些國家已經(jīng)開始構(gòu)建初級的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，要從這個領(lǐng)域切入實現(xiàn)突破，最關(guān)鍵的還是解決上文提到的“距離”問題。

一方面，要用量子中繼器來取代人工保障的中繼站，利用量子糾纏來實現(xiàn)量子態(tài)的遠距離傳送。

簡單來說，處于糾纏態(tài)的兩個量子不論相距多遠都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對其進行測量），另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛“心靈感應(yīng)”。

假設(shè)信息的接收方和發(fā)送方各有一個光子，他們再各自派出一個與之糾纏的光子作為“中介”，讓兩個“中介”光子在中繼站點糾纏起來，那么兩者手中留下的光子也會形成糾纏關(guān)系。

這過程中，還需要解決量子儲存、量子糾纏操作等復(fù)雜問題，與量子計算息息相關(guān)。可以說，量子中繼器研究會助推量子計算的發(fā)展。

另一方面，高軌道的衛(wèi)星可以作為天基中繼站點，覆蓋超長距離的量子網(wǎng)絡(luò)。2017年，潘建偉團隊利用世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星“墨子號”，成功將一對糾纏光子分發(fā)到距離1200千米的兩個站點。

而據(jù)WIRED網(wǎng)站報道，NASA計劃在2020年代中后期建立歐洲和北美之間的天基量子鏈路，可能先利用現(xiàn)成的國際空間站進行演示，實現(xiàn)精準(zhǔn)時間的糾纏光子分發(fā)。

問題四：各國關(guān)于量子互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃和進展如何？

厘清量子保密通信網(wǎng)絡(luò)與量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，了解量子中繼技術(shù)和天基鏈路的重要性之后，我們才容易理解美國和歐洲關(guān)于量子互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃。

白宮量子構(gòu)想提出，在未來5年中，美國公司和實驗室將演示量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道和探索跨洲際距離的天基糾纏分發(fā)。同時，將查明這些系統(tǒng)的潛在影響和改進的應(yīng)用，以獲得商業(yè)、科學(xué)、衛(wèi)生和國家安全方面的益處。

未來20年遠景則是量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備實現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實現(xiàn)的新功能，同時促進人類對糾纏作用的理解。

總投資10億歐元的歐洲量子旗艦計劃認(rèn)為，實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的目的是超越短距離的量子密鑰分發(fā)，充分發(fā)揮量子通信的潛力，最終走向全球量子互聯(lián)網(wǎng)。為了分配糾纏資源，實現(xiàn)更復(fù)雜的應(yīng)用，量子中繼器是必要的。在這方面需要顯著的研發(fā)投入。

歐洲量子旗艦計劃在3年愿景中提到，利用QKD協(xié)議和可信節(jié)點網(wǎng)絡(luò)開發(fā)天基量子密碼；演示一個可作為未來量子中繼器構(gòu)成模塊的初級鏈路。

中長期目標(biāo)（6～10年愿景）包括：利用量子中繼器演示800公里以上距離的量子通信；演示至少20個量子比特的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；演示利用衛(wèi)星鏈路產(chǎn)生糾纏等。

中國尚未提出量子互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，但在2019年12月中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確：“加快量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，統(tǒng)籌布局和規(guī)劃建設(shè)量子保密通信干線網(wǎng)，實現(xiàn)與國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)無縫對接，開展量子通信應(yīng)用試點。”

在項目進展方面，今年2月，潘建偉團隊在合肥演示了50公里遠的量子存儲器糾纏，刷新世界紀(jì)錄。

同在伊利諾伊州的美國能源部阿貢和費米國家實驗室有望成為美國量子互聯(lián)網(wǎng)上的首兩個節(jié)點，今夏將通過芝加哥郊區(qū)地下一段30英里長的光纖來試驗性地交換量子信息，建立雙向鏈路。

歐洲多個研究機構(gòu)則已成立“量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”，計劃近年在荷蘭完成包含3-4個量子中繼節(jié)點的鏈路演示，為未來的泛歐量子互聯(lián)網(wǎng)勾勒藍圖。

問題五：量子互聯(lián)網(wǎng)有哪些未來應(yīng)用？

潘建偉在NSR訪談中提到，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明將人類帶入信息時代，量子互聯(lián)網(wǎng)則將提供另一個能夠真正改變世界的機會。

例如，量子計算機會成為量子互聯(lián)網(wǎng)的重要部分。量子計算機建造成本高昂，至少在早期，它將僅通過量子互聯(lián)網(wǎng)提供公共服務(wù)。在這個場景中，用戶能夠通過量子互聯(lián)網(wǎng)接入到量子計算機，通過傳遞量子比特上傳任務(wù)并下載結(jié)果。這也就是量子云計算的概念。

哈佛大學(xué)量子物理學(xué)家Mikhail Lukin在2018年的一篇《自然》新聞報道中也表示，從現(xiàn)階段來看，量子計算機需要通過互聯(lián)來超越幾百個量子比特的規(guī)模。

參與歐洲“量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”的荷蘭科學(xué)家Ronald Hanson則補充道，更棒的是，量子云計算還得到了量子保密。

歐洲“量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”還展望了量子互聯(lián)網(wǎng)在廣義科學(xué)領(lǐng)域的變革性影響，例如把距離遙遠的原子鐘互聯(lián)，大幅提高時間準(zhǔn)確性。天文學(xué)家也可以解決甚長干涉基線中的時間同步問題，讓距離遙遠的望遠鏡強有力地合體。

問題六：量子互聯(lián)網(wǎng)會否替代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)？

正如科學(xué)家們建造量子計算機是為了更好地解決特定問題，而非普遍問題，量子互聯(lián)網(wǎng)的目的不是替代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)，也很難替代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)。

歐洲量子旗艦計劃認(rèn)為，量子網(wǎng)絡(luò)的作用是兼容、擴充現(xiàn)有的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。

在實際應(yīng)用中，量子密鑰分發(fā)需要和密碼算法結(jié)合使用，也需要通過“量子信道+經(jīng)典信道”來完成：量子信道傳輸量子信號，經(jīng)典信道交互從中提取安全密鑰的處理方法。

因此，量子保密通信網(wǎng)絡(luò)往往在現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如中國電信等電信運營商）之上部署。

瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Nicolas Gisin對《自然》說道：“現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)絕不可能徹底量子化。”

加拿大滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家Norbert Lütkenhaus也認(rèn)為，有些想法乍一聽很棒，但其實不用量子技術(shù)也能輕松實現(xiàn)。

趙勇對澎湃新聞表示：簡化了理解，當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)是“用于傳遞、處理和儲存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)”，量子互聯(lián)網(wǎng)則是對量子信息進行同樣的傳遞、處理和存儲。“量子互聯(lián)網(wǎng)”不是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的替代，而是在互聯(lián)網(wǎng)上疊加新功能的基礎(chǔ)設(shè)施。

標(biāo)簽： 量子互聯(lián)網(wǎng)