7月23日，新加坡能源部公布了一项旨在于塑造量子互联网的计划，目标是六年内建成与现有互联网并行的第二互联网——量子互联网。量子互联网是一种基于量子热学原理构建上去的新型互联网。华盛顿学院普利茨克分子工程大学院士、阿贡国家实验室中级科学家大卫·奥沙布里称互联网项目是日本量子研究计划的主导者。俄罗斯能源部及其17个国家实验室将成为该项目的骨干。该计划是能源部去年2月5日-6日举办的“量子互联网新蓝图研讨会”的成果。研讨会确定了未来量子科学应用的领域、优先研究方向和实现量子互联网的主要里程碑。
一、量子信息未来的科学应用领域
目前，许多科学家都意识到建立和扩充量子保护和提高通讯网路是21世纪最重要的前沿技术之一。国际研究机构计划在未来的10年内建立全球首个量子互联网（全球量子网路原型系统）。
未来量子信息的科学应用领域主要有：
·传感器网路。量午时钟网路是一个被普遍考虑的应用，它创造了一个可以明显提升个别现象检测精度的网路，例如引力波。量子望远镜网路也可以拿来白平衡和提高集聚图象。同时，量子计量学可以实现更精确的成像技术，如显微镜、光学和电磁成像。
·升级量子估算。量子网路可以拿来联接量子估算系统，提供传统系统和量子系统之间的过渡。分布式量子估算可以通过量子网路将许多更小的量子计算机联接上去。由此形成的分布式量子估算系统可以提供当前单个量子计算机难以实现的估算能力。
·安全的量子通讯。量子互联网提供终极安全通讯的能力将是一个核心应用。通过量子信道进行的信息交换的量子秘钥分配是当前量子安全通讯的主要研究热点。这种解决方案的初期采用者将出现在国家安全、银行和能源输送基础设施等领域。
二、优先研究方向
设计一个才能执行上述任务的量子互联网原型系统须要开发一个量子版本的网路栈。与TCP/IP网路结构类似，最底层为化学层，包括量子硬件设备和光纤等，负责量子信息的生成、排序和同步。数据链路层在化学层上运行，拿来生成可控量子节点之间的纠缠。网路层负责为不直接联接的节点之间生成长距离纠缠。传输层负责传输量子比特。应用层的应用可以同时使用传统网路和量子网路的一些能力。
TCP/IP5层构架模型与量子互联网构架
优先方向1：建立量子互联网的基础
当前量子网路实验依赖的设备功能和性能都很有限。要创建大范围、可运行的量子网路，就须要更多功能强悍的基础设备。这种设备要满足可靠性、可扩充性和可维护性。关键网路设备包括可以高效处理光插口和卫星-光纤联接的量子显存；高速率、低耗损的量子交换机；复用技术；量子源和改进源的传感等。
优先方向2：多量子网路设备融合
目前的关键量子化学组件仍处于实验室级阶段，还未能在全网路配置中运行。在实现级联操作和联接上要克服一些关键的挑战：
·通过系统级工程统一现有的操作性能融合现有组件，例如带宽、波长等；
·为补偿级联操作损失实现GHZ量子纠缠源、量子显存缓存和测量器；
·进一步开发关键量子化学组件量子传输速度，例如高速率、低耗损的量子交换器和多分复用技术。
优先方向3：为量子纠缠创建中继、交换和路由
多跳网路须要提高和重复讯号的方式，还须要选择通过网路的路径。传统网路中的数学和软件方案并不适用于量子网路。面临的挑战包括不同方式的量子纠缠生成、交换，多用户的净化合同，以及传统网路和量子网路融合和协同的控制和操作。
路由是网路的最基本功能。多跳网路须要选择通过网路的路径。基于纠缠的量子网路的首个原型系统并没有使用量子显存和中继器。而是使用SDN（软件定义网路）技术来执行传统的波长路由和光纤网路中的分配来构建量子节点之间以及量子节点与纠缠光子源（EPS）之间的量子路径。
光交换机须要动态编程来构建多个量子路径。这种简单的拓扑为多用户构建纠缠分发和量子传输合同。在同一光纤传输系统中与传统网路共存，这对分享相同的DWDM网路组件是极其重要的。
要在固定的目标对之间进行纠缠分发，就须要使用量子中继器扩充纠缠对的分发距离。与精典中继器的操作不同，量子中继器在光子传输时不会放大处于纠缠态的光子。相反，量子中继器可以通过消耗第二个纠缠对的资源，在额外的距离间隔上“跳跃”纠缠属性。实现这一点所需的创新是纠缠交换的量子过程。
降低传输的距离的潜在方式是加入量子中继器以及加入量子显存。一跳量子中继器原型系统须要4个量子显存。其他实现量子中继器的分发包括依赖光量子处理方式和基于原子集成的技巧。
优先方向4：量子网路功能的错误纠正
量子网路的一个根本区别来自于这样一个事实:纠缠的长距离生成是一项基本的网路功能，本质上存在于网路的数学层。这不同于传统网路，在传统网路中，共享状态一般只构建在较高层。在这些情况下，必须找到解决方案，以保证网路设备的保真度水平才能支持纠缠分布和确定性传送，以及才能补偿耗损和容许操作纠错的量子中继器方案。
当才能进行错误纠正的设备和量子中继器实现时，量子通讯网路发展的最后一步就完成了。量子网路支持所有须要分发量子估算合同和量子传感应用，包括多显存计算机构架和应用。实现这样的量子网路须要大量量子网路技术的进步，包括高重复速度的量子链路、支持纠缠分发和确定性隐性传输的确切度等。生成多方纠缠的能力对感知应拿来说也是十分必要的。
三、实现量子互联网新蓝图的里程碑
下边介绍一些现有的和近日的技术以及量子网路测试床，以及建立量子互联网的路线图。
注：里程碑是按照复杂度来排序的，后一阶段包含了之前阶段的所有功能。
里程碑1：基于光纤网路的安全量子合同验证
打算和评估量子网路。在量子网路原型中，终端用户接收和测试量子状态，但纠缠并不是必须参与的。这一阶段网路中的应用，包括非可信节点之间对高时序波动、量子位损失和错误有高容忍度地进行交换。用户可以验证密码量子传输速度，2个终端用户可以分享只有对方晓得的公钥。实现量子网路阶段的应用的要求包括：
·端对端量子功能的实现；
·传输和评估；
·量子比特可以马上进行评估来世成相关性。
相关的事例有OakRidge和Los国家实验室使用量子密码系统、通过可信节点联接的网路。应用领域包括通过安全通讯实现对关键基础设施的保护。
里程碑2：校园内和城市间的纠缠分发
纠缠分发网路。在这些量子网站中，任意2个终端用户可以获取纠缠的状态。网路通过设备独立的合同实现提供了一些能力，例如设备独立的量子秘钥分发和两方密码学。这一阶段对波动、损失和错误的容忍度要高于里程碑1。传统网路和量子网路开始初步融合。例如，-（）就融合了多个坐落乔治亚不同区域的站点。每位站点有1个或多个量子节点，可以进行量子通讯和评估。
里程碑3：使用纠缠交换实现城市间的量子通讯
量子显存网路。在这一阶段，任意两个终端用户可以获取和保存纠缠量子比特，以及传送量子信息到对方。终端用户可以按照接收到的量子比特进行评估和操作。最小的显存储存需求是按照传统通讯所需的时间来确定的。这一量子网路阶段容许一定范围的云量子估算，也就是说节点可以准备和评估单个量子比特来联接到远程的量子估算服务器。Lab–SBU–ESnet合作在2019年4月在日本实现了最长距离20km的纠缠分发的实验。下一步该团队计划将现有的量子网路与伦敦市的()联接。
里程碑4：使用量子中继器实现量子纠缠分发
融合传统和量子网路技术。成功融合量子中继器和台湾范围内（长距离）的量子错误纠正通信使得量子互联网的创建成为了可能。右图是可扩充网路的一种实现任意位置2个用户纠缠对分发的方式。所有的网路都须要管理层、控制层和数据层。在量子互联网原型中，控制功能可以融入在量子数据层与网路硬件动态交互的覆盖网路中。控制层可以通过SDN构架实现。
当前主流的量子网路构架设计是跳-跳（多跳）设计，构架中量子通讯设备的邻居对可以进行纠缠交换来传播通讯信道。量子互联网还须要大量新的合同。量子互联网须要大量的通讯合同和管理策略。对那些合同和控制策略的研究也是十分必要的。
里程碑5：建立实验室、学术界、产业界多方参与的生态系统来实现证明到可操作的基础设施的过渡
为实现量子通讯基础设施并实现量子互联网的原型，须要联邦机构、学术界和产业界的协作。以下量子互联网原型开发中的关键点可以受惠于多方协作的生态：
·使用当前ESnet光同步技术和网路来配置复杂量子网路的高层通讯；
·以更低的成本从商业合作方处订购或租用光基础设施；
·与光纤提供商协作确定小型光纤网路的光纤质量、分布、拓扑和耗损等；
·为可扩充和布署的量子通讯硬件创建技术标准；
·与同步开发的空间光网路和卫星网路协同发展；
·促进第一代量子通讯在大公司的使用。