近日，美國能源部發(fā)布了題為《建立全國量子網 引領通信新時代》的報告，提出10年內建成全國性量子互聯(lián)網的戰(zhàn)略藍圖，并希望借此確保美國處于全球量子競賽前列，引領通信新時代。
美國能源部方面稱，量子互聯(lián)網利用量子力學定律，能比現(xiàn)有網絡更安全地傳輸信息，“幾乎不可破解”，未來將對科學、工業(yè)以及國家安全的關鍵領域產生深遠影響。
消息一出，就引發(fā)了眾多疑問：量子互聯(lián)網究竟是什么？它將給世界和我們的日常生活帶來哪些影響？在發(fā)展量子互聯(lián)網的路上，會遭遇哪些“攔路虎”？
信息無法被竊取復制，安全系數最高
上海交通大學集成量子信息技術研究中心（IQIT）主任金賢敏解釋說，量子互聯(lián)網由大規(guī)模分布的量子節(jié)點和鏈接各個節(jié)點的量子信道組成，用于實現(xiàn)各類量子增強的通信、計算和計量等技術。“一直以來，實際可用的量子互聯(lián)網是量子信息科學領域追尋的目標之一。”金賢敏說。
早在2018年，《科學》雜志就曾發(fā)表文章《量子互聯(lián)網：發(fā)展愿景》，其中描述了量子通信網絡的發(fā)展藍圖。文章稱，量子互聯(lián)網不是現(xiàn)有互聯(lián)網的簡單替代，而是為其加上“盾牌”的新型基礎設施。中國量子通信領域的領軍人物、中國科學院院士潘建偉2019年在接受媒體采訪時也提到了量子互聯(lián)網，他說：“眾所周知，互聯(lián)網是用于傳遞、處理和儲存經典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網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（量子比特互相關聯(lián)的狀態(tài)）將是量子互聯(lián)網的基本資源?！?/span>
美國能源部的報告中提到，由于量子互聯(lián)網具有特殊的訪問方式，每一次訪問都會留下不可磨滅的“痕跡”，因此其被稱為“最安全的互聯(lián)網”。據潘建偉解釋，從實際應用的角度來看，量子互聯(lián)網的首要任務是以一種無條件安全的方式進行全球性的密鑰共享，如果將隨機產生的密碼編碼在光子的量子態(tài)上，依據量子不可克隆定理，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，就一定會被發(fā)現(xiàn)。
據了解，量子互聯(lián)網不僅可用來傳輸加密信息，還能支持基于云的量子計算，有望在多個領域大顯身手。美國能源部的報告顯示，其籌備建設的量子互聯(lián)網將首先應用于銀行和醫(yī)療服務部門，未來還有望在國家安全和飛機通信領域施展拳腳。報告中還提到，“最終，手機內使用量子網絡技術可能會對每個人的生活帶來廣泛影響”。
另外，創(chuàng)建超級靈敏的量子傳感網絡還有助于更好地檢測和預測地震，或者尋找地下的石油、天然氣或者礦產。
據專家介紹，量子互聯(lián)網是一步一步向前演進的，不斷把量子計算、量子傳感、測量等各類功能融入進來，最終的目標是形成包括量子安全網絡、分布式量子計算和量子傳感網絡在內的“全量子網絡”。美國能源部在報告中稱，人們正在形成一個共識——量子互聯(lián)網是21世紀最重要的技術前沿之一。
引發(fā)全球關注，各國競相布局
鑒于量子互聯(lián)網安全性高、應用領域廣泛的特點，全球多個國家都在研發(fā)這種新型通信方式。
據悉，今年2月，美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學的科學家在芝加哥郊區(qū)成功建立了一個52英里的糾纏光子“量子環(huán)”，這是美國迄今最長的陸基量子網絡之一。該網絡很快將與能源部費米實驗室連接，構成一個80英里的三節(jié)點試驗平臺。此外，石溪大學和布魯克海文國家實驗室聯(lián)手勞倫斯伯克利國家實驗室，已經搭建了一個80英里長的量子網絡試驗平臺，同時正積極進行網絡的擴展工作。
量子互聯(lián)網也吸引了其他國家的關注。荷蘭、加拿大、日本、韓國、俄羅斯等國以及歐盟也在加緊部署量子網絡建設。
2016年5月，歐盟就提出了“歐洲量子技術旗艦計劃”，總投資約10億歐元，主要目標之一就是利用10年時間建成量子互聯(lián)網。
此外，據俄羅斯《消息報》網站今年4月份報道，俄羅斯將利用俄羅斯鐵路公司的基礎設施打造量子互聯(lián)網平臺，該平臺試驗區(qū)將在2021年啟動，金融機構、國家集團、生產企業(yè)和基礎設施可能成為首批用戶。
近年來，我國也在大力發(fā)展量子通信技術，并在量子通信領域取得了舉世矚目的成就：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”項目通過總技術驗收；今年6月，中國科學技術大學潘建偉研究團隊利用全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，在國際上首次實現(xiàn)基于糾纏的無中繼千公里級量子保密通信。
金賢敏認為，這些成就對于我國構建量子互聯(lián)網具有重要意義，同時也標志著我國量子互聯(lián)網的研究與發(fā)展已經處于國際先進水平。
走向實用化，關鍵在中繼器
然而，量子互聯(lián)網的發(fā)展之路并非一條坦途。
金賢敏指出：“對于量子互聯(lián)網發(fā)展中的挑戰(zhàn)，科學家們一直致力于解決兩個關鍵問題，一是光子通過長距離光纖傳輸，在傳播中的損耗會隨距離呈指數型增加；二是光量子態(tài)的產生具有概率性。這兩個問題使得量子互聯(lián)網的實際運行效率很低?！?/span>
據了解，量子互聯(lián)網需要量子通信、量子精密測量、量子計算等領域全方位的突破。金賢敏表示，從長遠來看，將真正的全量子互聯(lián)網推向實用化的關鍵仍然在于量子中繼器。
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)生相應改變。假設信息的接收方和發(fā)送方各有一個光量子，它們再各自派出一個與之糾纏的光量子作為“中介”，讓兩個“中介”光量子在中繼器糾纏起來，那么兩個留下的光量子也會形成糾纏關系。
在信息通信領域中，量子中繼器是一個廣泛的概念，它就像信息高速公路上的“加油站”，主要通過糾纏交換、糾纏純化和量子存儲等基本技術實現(xiàn)對量子態(tài)的糾纏操縱，幫助信息傳輸到更遠的距離，從而突破量子通信距離的限制。
今年3月，哈佛大學和麻省理工學院的研究人員在《自然》雜志發(fā)表了一項研究成果，其中提到，本質上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計算設備，它必須能夠有效地捕獲和處理量子信息，并將其存儲足夠長的時間，以將信息傳輸至數千公里之外。
金賢敏研究團隊一直致力于量子中繼器走向實用化的關鍵問題研究，并實現(xiàn)了一種混合架構的、可在室溫下運行的寬帶量子存儲網絡，這對于量子互聯(lián)網的實際應用具有重要意義。據介紹，該成果已于今年上半年在《科學》雜志子刊《科學進展》上發(fā)表。
金賢敏進一步指出：“構建可實際應用的量子存儲器，挑戰(zhàn)來自于需要同時滿足高存儲帶寬、長壽命、高效率和低噪音等指標，更重要的是能夠在室溫條件下工作，這是艱難而又意義深遠的一步?！?/span>
在量子技術日趨成熟和接近商用的今天，我國的量子技術研究不斷取得突破?！拔磥恚覀兤诖浞滞诰蚧趯嶋H可用的量子中繼器的量子互聯(lián)網，能夠通過構建更多節(jié)點和提升節(jié)點性能的方式，使得量子互聯(lián)網具有完全可擴展性和豐富的量子信息處理能力。通過共同努力，最終實現(xiàn)全球量子互聯(lián)網?！苯鹳t敏如是說。（劉 霞）
（責任編輯：蔡文斌）
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