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欧美日奋力追赶,中国量子通信优势还能保持多久?

光子盒研究院 光子盒 2021-12-15
光子盒研究院出品
 
从昨天到今天,加拿大和荷兰相继宣布量子网络建设计划,所谓的量子网络,包括量子安全通信、量子传感和分布式量子计算网络,其中第一步是我们熟知的量子密钥分发(QKD)。
 
目前包括中国、美国、英国和日本在内的国家已建有或开建的量子网络,现在加拿大和荷兰也加入到了这一行列。

加拿大和荷兰的量子网络

 
当地时间11月24日,光量子计算领导者Xanadu宣布与MaRS(加拿大初创企业孵化器)和创造性破坏实验室(CDL)合作创建加拿大量子网络(CQN)。
 
CQN是加拿大的第一个量子网络第一步是在多伦多创建一个三节点网络,三个节点分别位于Xanadu、MaRS和CDL通过光缆连接,预计到2021年投入使用CQN将为合作组织提供一个量子试验平台,以访问和开发量子密码、通信和计算方面的新型应用。
 
CQN的可能应用包括量子安全通信、量子传感和分布式量子计算。这可能导致不可撤销的选举,安全的金融交易,以及政府、执法部门和军队等国家安全的加强。
 
Xanadu是光量子计算领导者,使用光量子计算的量子网络可以利用现有的基础设施和光纤网络,提供尚未发现的机会,同时创造出当今互联网无法实现的隐私、安全和计算水平。而MaRS和创造性破坏实验室,将支持企业在加拿大量子网络上开发新的应用程序。
 
此外,MaRS首席执行官Yung Wu表示,CQN的创建使加拿大能够保留和发展量子应用的人才库,是加拿大下一个大产业发展的重要基石。
 
在多伦多创建的三节点网络只是起点,CQN更长远的目标是在加拿大全国范围内建立一个网络。
 
当地时间11月25日,由荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)和国家应用科学研究院(TNO)合作的量子计算与量子互联网研究中心QuTech宣布与KPN(移动电信公司)、SURF(荷兰教育和研究机构的合作协会)和OPNT(电信设备供应商)发起一项合作,将在荷兰中西部兰斯塔德大都会区内创建一个量子网络,包括阿姆斯特丹、鹿特丹、代尔夫特、海牙和乌得勒支等城市。这项工作是一个TKI(知识和创新顶级联盟)高科技系统与材料项目。
 
QuTech、KPN、SURF和OPNT四方各自贡献各自的专业领域,目的是利用高速光纤连接建立第一个功能齐全、可编程的量子网络。除了根据量子理论提供安全通信外,项目的重点是通过荷兰网络连接相距很远的不同量子处理器。
 
QuTech的博士后Wojciech Kozlowski说:“我们每天都在努力寻找问题的答案,比如KPN或SURF等网络运营商如何部署量子网络,以及他们可以为用户提供什么样的服务。尽管我们仍处于早期发展阶段,但我们已经通过与关键合作伙伴的合作,构建未来的量子互联网生态系统。随着我们的量子网络发展成为一个成熟的量子互联网,这个生态系统将被证明是至关重要的。”
 
荷兰的第一个目标是量子通信网络。随着时间的推移,量子通信网络将朝着全球量子互联网的方向发展,这将允许安全通信、位置验证、时钟同步、使用外部量子计算机进行计算……这项工作将开发新技术、新见解和新标准,从而距离量子互联网更近一步。

2020是量子通信大年

 
2020年,美国、英国、日本等国正在加快建设量子通信网络。
 
5月,美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)与洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)团队合作在真实环境中成功演示量子密钥分发(QKD)业务。三个不同的系统可以在整个城市完成量子密钥的真实中继。
 
2019年,ORNL、LANL和EPB公司(一家服务于查塔努加市的社区公用事业和电信公司)第一次演示了具有不同底层硬件和软件组件的QKD系统,显示可以无缝地协同工作。
 
在今年的演示中,研究人员将他们的系统与QKD开发和制造商Qubitekk开发的新系统放置在查塔努加市的变电站中。这些变电站通过EPB公司留作测试用的光纤网络连接起来,并用作“停泊站”,使每个系统都能将密钥传给下一个系统。
 
随后,美国能源部阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和芝加哥大学的科学家们在芝加哥郊区创建了一个52英里(83公里)的“量子环路”,建立了美国最长的陆基量子网络之一,该网络将与能源部费米实验室连接,建立一个80英里的三节点试验台。
 
美国能源部公布了一份报告,其中列出了一个国家量子网络的发展蓝图战略,提出希望美国成为全球量子通信领域的领头羊。能源部17个国家实验室将成为未来量子互联网的支柱。
 
企业层面,美国电信运营商Verizon在9月份进行了量子密钥分发(QKD)的试验。他们在华盛顿特区的三个地点拍摄现场视频,利用QKD网络实现加密。Verizon说,成功的试验使其成为美国首批试点使用QKD的运营商之一。
 
也是在9月,由英国布里斯托大学领导的一个国际研究小组在布里斯托建立了一个可扩展的城域量子网络来共享加密信息的密钥。这个网络能够连接8个或更多用户,跨越17公里的距离。
 
研究人员创建了一个具有中心源的网络,该中心源将纠缠光子发送到八个节点。每个节点只通过一条光纤链路连接到源节点,这样共8条链路远远少于没有可信节点的传统QKD所需的28条链路。
 
布里斯托大学的Siddarth Joshi博士说,在20年内,他们的QKD可能在伦敦这样一个人口近900万的大城市推广。之所以需要20年,不是因为技术本身,而是因为家庭中缺少光纤基础设施。他说,如果光纤技术能广泛应用于所有公民,“那么它将需要大约10年的时间。”
 
就在上周,英国电信(BT)宣布将使用量子密钥分发(QKD)技术构建安全网络,希望在5G和联网汽车安全通信开发方面实现飞跃。
 
而日本,东芝、NEC和三菱电机等十几家公司和研究机构正在领导一个全球量子密码通信网络研究项目,计划用5年时间创建一个由100个量子密码设备和10000个用户组成的网络。
 
10月,东芝宣布将开始提供量子密钥分发(QKD)平台,并在2020财年第四季度开始部署系统集成业务。该公司预计到2035财年,QKD市场将增长到约200亿美元,东芝将占25%的市场份额。
 
该公司表示,现已与美国的Verizon和英国的BT Group进行QKD试点项目合作,并且正在与韩国的另一家电信运营商进行谈判。
 
实际上,韩国也是量子通信产业化的推动者,2018年SK电信完成了对量子通信先驱IDQ的收购,今年又跟三星合作推出量子加密手机。
 
11月,IDQ和韩国电信媒体服务提供商SK宽带宣布,他们已被选中来建设韩国48个政府组织的通信网络。韩国将建成除中国以外世界上最大的运营QKD网络。

中国量子通信被追上了吗?

中国量子通信被追上了吗?
虽然欧美日来势汹汹,但是可以肯定的是,中国仍处于量子通信的领先地位。
 
建设量子通信网络,目前国际公认的路线图是:先利用光纤在城域范围构建一个网络,然后利用中继连接城市,最后通过卫星的中转实现远距离的量子通信。中国已经率先走完了整个路线图。
 
2016年8月,中国成功发射了世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”,率先实现高速星地量子通信,为构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系打下了基础。除中国外,目前只有新加坡发射的微型量子通信卫星SpooQy-1成功演示了轨道上的量子纠缠,以及加拿大航天局(CSA)的QEYSSat任务计划发射量子通信卫星。
 
2017年9月,世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。全长2000多公里,经过合肥、济南等沿线主要城市,共设有32个量子通信节点。
 
2020年6月,中国科学院宣布“墨子号”卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。此次试验中,“墨子号”与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路,在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠并产生密钥。
 
10月14日,海南省“‘星地一体’环岛量子保密通信网络”项目签约。量子保密通信网络将为海南自贸港政务、金融、交通、能源等领域提供高等级的安全服务。该项目还将在海南文昌建设实用化量子卫星地面站,实现与“墨子号”的对接,从而将环岛量子保密通信网络接入到国家骨干网,实现海南和北京、上海、广州等重要城市的跨域数据安全流通。
 
显然,中国的量子网络建设是快于其他国家的,但是想要一直保持领先身位并不简单。因为量子安全通信只是量子互联网的第一步,未来还将建设量子传感网络、量子计算网络,而在这些领域中国并没有太多优势。
 
正如美国将中国视为其量子计算领域的最大对手,中国也需警惕其他国家在量子通信领域的赶超。

参考:
[1]https://qutech.nl/2020/11/25/qutech-kpn-surf-and-opnt-join-forces-to-build-a-quantum-network/?cn-reloaded=1
[2]https://www.newswire.ca/news-releases/xanadu-announces-canada-s-first-quantum-network-designed-for-innovation-and-collaboration-878700962.html
 
相关阅读:
一文了解量子互联网进展

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1930年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”,公众号名称正源于此。
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