2020年7月,俄罗斯能源部公布量子互联网发展新蓝图,明晰了德国量子互联网的4个优先方向和5个关键里程碑,计划以俄罗斯能源部下属的17个国家实验室为核心节点,六年内建成全省性量子互联网。
去年2月以来,日本和欧共体先后颁布重量级量子技术战略性文件,将量子互联网作为发展目标,布署举办多项量子互联网相关研究任务。
借鉴欧日本家布局量子互联网的经验,中国应做好量子互联网顶楼设计,占据量子互联网技术制高点,构建量子互联网发展的良好生态。
日本:确立量子互联网发展目标和实现路径,以多个国家实验室为主体推动量子互联网建设
在战略层面,爱尔兰国家量子协调办公室去年2月发布《美国量子网路的战略设想》,明晰了建立世界首个量子互联网的愿景目标,并提出未来5年内,实现从量子互连、量子中继器、量子储存器到联发科量量子信道和探求跨洲际距离的天基纠缠分发;未来20年内,促使量子互联网链路借助网络化量子设备实现精典技术难以实现的新功能。
7月,乌克兰能源部发布《从远距离纠缠到构建全省性的量子互联网》,明晰了量子互联网发展新蓝图,提出了4个优先研究方向,即为量子互联网提供基本建立模块(如量子限制侦测器、量子源和传统源的讯号转换器、量子储存器等),集成多个量子网路设备,为量子纠缠创建中继、交换和路由,以及实现量子网路功能纠错。
同时,还设定了量子互联网建设的5个关键里程碑:实现通过光纤网路验证安全量子合同,校园或城市间量子纠缠分发,运用纠缠交换实现城际量子通讯,使用量子中继器进行州际量子纠缠分发,以及完善实验室与学术界和产业界之间的多方生态系统,实现从演示向运行过渡。据悉,还提出了以日本能源部下属17个国家实验室为核心节点,六年内建成全省性量子互联网。
在施行层面,2020年3月,在26英里长的光纤网路中,印度阿贡国家实验室与华盛顿学院共同完成了“量子环”系统测试。阿贡和费米国家实验室还将建设82英里的单向量子网路,联接两个国家实验室,举办量子隐型传态实验,作为实现校园或城市间量子纠缠分发的重要尝试。
6月,澳洲橡树岭和洛斯阿拉莫斯两个国家实验室通过在城市变电厂安置可信节点,实现了电网中三个量子秘钥分发(QKD)系统的中继,初步完成在现有光纤网路上验证安全量子合同。伦敦长岛地区的石溪学院和伦敦布鲁克海文国家实验室正在研究通过光纤线缆等方法实现11英里的纠缠光子传输,并计划将量子网路延展到曼哈顿地区,建成后将是世界上首个量子中继网路。
欧共体:同步施行多项量子互联网相关计划,着重推动亚洲量子通讯网路的研究和建设
在战略层面,2020年3月,法国量子技术旗舰计划发布《战略研究议题(SRA)》,明晰了旗舰计划的发展目标:短期(3年)目标是借助量子秘钥分发(QKD)合同和可信节点网路开发天基量子密码,演示可作为未来量子中继器构成模块的中级链路;中常年(6-10年)目标是借助量子中继器演示800公里以上距离的量子通讯,演示起码20个量子比特的量子网路节点,演示借助卫星链路形成纠缠等;常年目标是实现量子互联网。
在施行层面,2018年10月,欧共体委员会启动亚洲量子技术旗舰计划,在未来六年内拟投资10亿美元支持量子通讯、量子估算、量子模拟、量子计量和传感器等领域的研究。
2020年1月,美国、法国等24个欧共体成员国施行量子通讯基础设施计划,将在未来六年共同研制和布署欧共体量子通讯基础设施。目前,比利时代尔夫特理工学院的斯蒂芬妮•韦纳团队正在构建一个完全通过量子技术联接英国代尔夫特、阿姆斯特丹等城市的四节点量子网路,计划在2020年末前构建代尔夫特和鹿特丹之间的量子网路。韦纳还在协调推动量子互联网联盟(),借以将德国的实验推广到整个亚洲台湾,搭建覆盖亚洲的真正意义上的量子网路。
日本:制订国家量子行动计划,推动量子互联网平台建设
2019年12月,日本颁布国家量子行动计划,拟在5年内投资约7.9亿港元,塑造一台实用的量子计算机。2020年4月,莫斯科国立信息技术、机械与光学研究学院与美国风险投资公司合作,计划于2021年启动量子互联网平台试验区建设,拟投资3亿欧元(约合410万港元),借助法国高铁公司的基础设施构建量子互联网平台。
美国:提出国家量子任务,施行量子互联网关键技术创新
2020年2月,美国科学技术部提出国家量子任务,计划未来5年内投入800亿卢比(约合11.2亿港元),重点推动量子通讯、量子估算、量子材料开发和密码学等量子互联网关键技术创新。
量子互联网前景看好,但仍面临众多技术挑战
量子互联网是基于量子通讯技术形成和使用量子资源的新型功能网路,是在互联网上叠加新功能的基础设施,将带来网路安全、计算以及科学上的飞越,应用前景巨大。
一是可实现无条件安全通讯。量子互联网借助量子的不可克隆定律,就能实现远超现有加密技术的安全量子信息传输,是目前惟一已知的不可监听、不可破译的无条件安全通讯方法,有望为部队、政府、银行等领域用户提供安全通讯的终极解决方案。
二是可升级量子估算。量子互联网可联接多个量子计算机,建立分布式量子估算系统,产生单个量子计算机难以实现的规模估算能力。
三是可推动科学研究。例如,借助量子纠缠同步时钟,可将全球定位系统等导航网路的精度从米提升到毫米级;建立量午时钟网路,能极大地提升引力波等现象的检测精度;联接相距数千公里的光学望远镜,可获得相当于一个同等半径的单碟望远镜的码率等。
全球量子互联网发展仍处于起步阶段。
2018年10月,英国代尔夫特理工学院的量子研究团队在《自然》杂志发布量子技术路线图,将量子互联网的发展分为可信节点网路、准备和检测、纠缠分布网路、量子储存器网路、量子估算网路等6个阶段。
日本量子互联网发展新蓝图也设定了包括量子合同验证、校园或城市间量子纠缠分发、城际量子通讯、州际量子纠缠分发等在内的5个关键里程碑。当前,各国重点推动的基于量子秘钥分发的量子保密通讯网路均属于量子互联网发展的中级阶段,仅具备量子互联网的部份功能。量子互联网的终极阶段是用量子隐型传态或量子纠缠交换技术作为链接,将用户、量子计算机、量子传感等节点连为一体,形成、传输、使用量子资源。不过,起步阶段距商用的量子互联网仍行路漫漫。
发展量子互联网需解决可信中继等众多技术困局。
从常年看,发展量子互联网须要量子通讯、量子精密检测、量子估算等领域全方位的突破。从近日看,建立量子保密通讯网路,须要解决长距离量子保密通讯网路中的中继站点没有得到量子技术的充分保护,而存在“可信中继”的问题,须要在量子储存、量子中继等领域实现技术突破,实现赶超一对固定目的地之间的量子纠缠分发。量子互联网的传输性能虽大大赶超了传统的网路传输,并且因为中继等诱因也不可防止会发生错误,须要研制支持纠缠分发和隐型传态的高保真网路设备,以及可以补充耗损、容许操作纠错的量子中继器方案。
启示
目前,中国仍未提出量子互联网发展战略,量子互联网研究应用主要集中在量子通讯领域,欠缺对量子信息技术变迁和产业发展的整体布局。应借鉴欧美发达国家和地区布局量子互联网的经验,在战略规划、技术创新、产业生态等方面筹谋布局。
确立发展战略,做好量子互联网顶楼设计。
尽早研究制订国家量子互联网发展战略,确定中国量子互联网发展目标、重点、时间表和路线图。坚持量子通讯和量子估算发展并重,从常年战略的高度推进量子互联网基础科研、技术攻关、设备研发和产业应用等工作。在中国重点城市强化量子网路建立和量子卫星布局,力争在2030年率先建成全球化的广域量子保密通讯网路。
做好基础研究,占据量子互联网技术高地。
发展量子互联网,基础研究的突破非常关键。基础研究前期投入大、商业回报周期长,国家常年稳定的支持至关重要。建议将量子互联网列入国家重大科研计划,通过自然科学基金、科技重大专项、重点研制计划、战略性先导科技专项等方式,持续加强对量子通讯理论、方法及相关元件研究的支持力度;加强量子精密检测、量子估算等领域的研究工作,补足量子互联网技术弱项。推动量子中继器、天基中继站点、量子存储、量子秘钥分发系统关键元件、量子通讯广域组网等技术创新发展,强化对量子互联网系统稳定性和可靠性研究,解决量子通讯设备的大型化和轻量化问题,减少制造和运行成本,促进量子互联网研究成果在实际系统中的及时转化和应用,力争在核心技术领域占据制高点。
推进产业布局量子传输 设备,构建量子互联网良好生态。
得益于国家的战略支持和前瞻布署,中国在量子基础研究和产业化方面具备了坚实基础。考虑到欧美发达国家和地区在芯片集成、空间技术、高端材料等方面的技术优势和合作趋势量子传输 设备,中国应进一步强化量子互联网产业链布局。通过国家专项、产业资金和社会资本等多渠道资金,大力支持相关院校和研究机构、企业强强联合,加强量子互联网的理论研究、技术研制、设备生产、网络应用等产业链上下游的协同,不断深化量子互联网技术和产业发展,构建行业竞争优势,构建良好的产业生态。进一步强化对量子通讯等技术标准的跟踪,积极举办标准研究和制订,争取尽快在相关设备和网路标准方面取得实质性突破。
(作者王超来自赛迪研究院)