量子互联网到底是什么？中美竞争走到了哪一步？ | 墨子沙龙

蔻享学术 2022-11-19

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2020年7月23日，美国能源部公布了一份报告，规划了美国“量子互联网”发展的战略蓝图。各媒体对此极为关切，纷纷报道。而对于大家普遍关心、不甚明了的问题（例如“什么是量子互联网”、“量子互联网与我国已经建成的京沪干线、墨子号卫星有什么关系”、“量子互联网是要取代现在的互联网吗，两者可以共存吗”、“美国之外，其他国家有类似规划吗”、“我国已经开展了哪些工作，未来有何规划”），“墨子沙龙”请教了相关专家，与大家分享。

什么是量子互联网？

中国量子信息领域的开拓者和领头人潘建伟院士曾这样解释量子互联网：

众所周知，互联网是用于传递、处理和储存经典信息的全球性系统。量子互联网则可以对量子信息进行同样的传递、处理和存储。量子互联网首要的实际任务是以一种无条件安全的方式进行全球性的密钥共享（也就是说，量子信息是完全防篡改的）。量子比特和量子纠缠（量子比特互相关联的状态）将是量子互联网的基本资源。这一系统将实现众多量子信息任务，包括任意节点之间的量子隐形传态、分布式量子计算和高精度量子测量。

2018年，《科学》发表文章《Quantum internet: A vision for the road ahead》，描述了量子通信网络的发展蓝图。量子互联网可以理解为量子通信技术支撑的一种产生和使用量子资源的新型功能网络。它不是对现有互联网的替代，而是为互联网加上新功能的新型基础设施。量子密钥分发网络是量子互联网的初级形态，其高级形态将是全量子网络，是用量子隐形传态或量子纠缠交换技术作为链接，将用户、量子计算、量子传感等节点连为一体，产生、传输、使用量子资源的一个网络。

量子互联网得需要多少钱才能够建成？

量子互联网的建设需要巨大的投入，不仅是金钱，还有时间与精力。例如，欧盟在量子技术旗舰计划的支持下，计划在10年内建成量子互联网，预计未来10年，在地面量子通信投入约3.5亿欧元，在天基量子通信投入约11亿欧元，具体多少没有公开信息。2017年9月，俄罗斯国家开发银行在访问中国科大上海研究院时表示，计划投资约50亿人民币专项资金用于支持俄罗斯量子中心开展量子通信研究，并计划借鉴京沪干线经验，在俄罗斯建设量子保密通信网络基础设施，先期将建设莫斯科到圣彼得堡的线路。美国国家量子计划法案于2018年12月正式签署颁布，主要聚焦量子通信、量子计算机和超精密量子传感器三大领域，计划投资约13亿美元，集合国家力量统一协调量子技术和产业发展。

美国国家量子计划的主要内容

在美国国家量子计划法案的支持下，2020年2月，白宫国家量子协调办公室发布了“美国量子网络的战略远景”的报告，正式将发展量子互联网提上日程。报告中对美国量子网络发展的中期和远景目标进行了描述。中期年目标是，美国的公司和实验室将展示支持量子网络的基础科学和关键技术，包括量子互连、量子中继器、量子存储器、高通量量子信道以及基于自由空间的洲际纠缠分发等。同时，将确定此类系统的潜在影响和深层次应用，特别是在商业、科学、健康和国家安全方面的增益。远景目标是，实现量子互联网，并利用联网的量子设备实现经典技术无法实现的新功能，同时增进对纠缠作用的理解。报告同时认为量子计算和网络技术目前处于发展初期，通过建立量子互联网将促进新技术和当前互联网的发展，提高通信的安全性，并使计算技术取得巨大进步。
另外，在美国能源部发布的“从远距离纠缠到建立全国性量子互联网”的报告中提出了需要优先发展的研究方向：（1）为量子互联网提供基本的构建模块；（2）整合集成多个量子网络设备；（3）实现量子纠缠的中继、交换和路由；（4）实现能容错的网络功能。报告还提出了5个里程碑，即5个阶段性目标：（1）在光纤网络上完成量子安全协议的验证；（2）实现校园之间和城市内的纠缠分发；（3）通过纠缠交换实现城际量子通信；（4）通过量子中继，实现州际量子纠缠分发；（5）建立国家实验室、学术界和产业界之间的多方生态系统，由原型演示迈向运营基础设施阶段。

其他国家的量子规划

欧盟2016年5月提出“欧洲量子技术旗舰计划”，该计划总投资约10亿欧元，主要目标之一是计划10年左右建成量子互联网，具体是：3年左右建设低成本量子城域网并建立量子通信设备和系统的认证及标准；6年左右利用可信中继、高空平台或卫星实现城际量子保密通信网络建设；10年左右建成量子互联网。
与之相应，欧洲主要国家也出台了相关计划，比如2018年9月，德国提出了“量子技术——从基础到市场”框架计划，计划于2022年前投入6.5亿欧元，推动德国量子技术从基础研究向市场化应用的转变。2018年11月，英国在国家量子技术计划第一阶段实施的基础上，再次宣布了规模2.35亿英镑的第二阶段拨款计划（两阶段总投入超过5亿英镑），旨在进一步促进量子技术研究向应用领域转化，并刺激形成量子计算、量子通信等新兴产业。
此外，荷兰、加拿大、日本、韩国、俄罗斯等国也在加紧进行战略部署和量子网络建设。

我国有哪些政策，正在开展的工作有哪些？

近年来我国在量子通信领域取得了世界瞩目的成就，从世界首条远距离量子通信“京沪干线”到全球首颗量子通信实验卫星“墨子号”，在该领域实现了从跟跑到领跑的转变。从国家高层到各地方政府，都给予量子通信高度的关注和推动。
在国家顶层设计和战略部署下，2018年2月，国家发改委正式批复了新一代信息基础设施工程“国家广域量子保密通信骨干网络项目”，该项目旨在通过5-10年的努力，在全球率先建成面向一带一路、服务国家战略需求、规模最大、技术最先进的地面总里程约35000公里的星地一体量子网络。
值得一提的是，京沪干线的建设逐步带动了整个产业链的发展，特别是在核心元器件国产化和相关标准制定方面，目前，单光子探测核心芯片已经国产化。这里要特别提一下的是，美国实际上对中国发展量子密钥分发技术一直是提防的，在这种背景下，国产化工作就显得特别有意义。

中国的量子通信和国际水平相比如何？

我国与国际上的技术强国，发展量子通信的技术路线总体上是一致的。现阶段都是发展基于可信中继的量子通信网络，同时也积极储备量子互联网后续阶段的基础技术，从网络建设规划、现有应用模式、基础技术和应用标准国际合作等方面可以看出共识。可能也就在具体技术能力上有些先后之分，这个是和技术积累、资源条件等因素相关的。
对于量子密钥分发技术，我国的基础技术水平、工程技术成熟度目前处于国际引领地位。量子密钥分发在光纤中已经能做到几百公里，用卫星可以做到上千公里，这两个记录目前都是我国保持的：一个是今年实现了光纤最远安全距离做到509公里，另一个就是2017年“墨子号”做到的星地1200公里，这是中国科学家的贡献，也是中国量子通信领先世界的标志。“墨子号”和“京沪干线”的成功实施，构建了国际上首个天地一体的广域量子通信网络雏形，这也为未来的量子互联网奠定了设施基础。
对于量子互联网后续阶段的技术，我国的研究也处于前沿地位。纠缠交换和纠缠纯化是量子中继的核心技术，它们由潘建伟等人分别在1998和2003年首次实验实现。量子存储方面，50公里的量子存储最远纠缠距离由潘建伟团队创造和保持。欧美有一些光子-固态量子比特隐形传态、无漏洞纠缠检验（同时满足高效率量子检测和分发距离要求）前沿实验成果；我国在多维量子隐形传态、高效量子存储等实验上成果优异。近日MIT科技评论提出未来十大技术，量子防黑客互联网就是之一，其中报道的计划是5-6年完成基于量子中继器的网络化纠缠分发实验，支持无条件安全通信，就是由荷兰代尔夫特大学和中国科技大学合作进行。

量子通信下一步的发展包括实用技术增强和基础技术探索两个大方向。实用技术增强方面，量子密钥分发是量子通信的主要且近期唯一可实用的技术，如何降低量子密钥分发的成本、使量子密钥分发设备小型化是未来的努力方向；基础技术探索方面，将致力于实现量子互联网后续阶段的量子纠缠存储与中继技术的突破。潘建伟教授认为：“互联网的发明将人类带入信息时代，量子互联网则将提供另一个能够真正改变世界的机会。”

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