盡管量子信息產(chǎn)業(yè)仍處于萌芽狀態(tài)，一張雄心勃勃的“量子互聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想已然成為嚴(yán)肅議題。今年來，美國和歐盟先后出臺重量級的量子技術(shù)戰(zhàn)略性文件，均把“量子網(wǎng)絡(luò)”（Quantum Network）和“量子互聯(lián)網(wǎng)”（Quantum Internet）作為遠(yuǎn)景目標(biāo)。

　　這個(gè)引人注目的概念實(shí)現(xiàn)了目前人類對所有量子技術(shù)想象的大一統(tǒng)，它是實(shí)現(xiàn)“量子云計(jì)算”的方式，它是量子信息傳輸和儲存的平臺，它是竊聽必留痕跡的量子密碼的交換渠道，它還能組建一臺世界性原子鐘，重新定義時(shí)間同步性。

　　在這個(gè)宏大意義上，中國在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)上雖然走在世界前沿，但僅僅邁出了“量子互聯(lián)網(wǎng)”的第一步。尤其是長距離量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中的中繼站點(diǎn)仍沒有得到量子技術(shù)的充分保護(hù)，這個(gè)問題也是國際規(guī)劃的主要發(fā)力點(diǎn)之一，需要量子糾纏、天基鏈路、量子存儲等領(lǐng)域的技術(shù)突破。

　　為了便于理解其顛覆性，“量子互聯(lián)網(wǎng)”常常與 1960 年代由美國軍方研制，后來飛入尋常百姓家的互聯(lián)網(wǎng)相提并論。不過，正如量子計(jì)算機(jī)不能取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，不管是從其根本目的還是其經(jīng)濟(jì)成本來說，量子互聯(lián)網(wǎng)并不會(huì)取代現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)。

　　問題一：什么是量子互聯(lián)網(wǎng)？

　　在美國白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室今年 2 月份公開的《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》（下簡稱“白宮量子構(gòu)想”）中，比較籠統(tǒng)地將量子互聯(lián)網(wǎng)描述為一張由量子計(jì)算機(jī)和其他量子設(shè)備組成的龐大網(wǎng)絡(luò)。

　　該文件專門借用美國軍方首創(chuàng)的互聯(lián)網(wǎng)來描述量子互聯(lián)網(wǎng)的顛覆性遠(yuǎn)景：“它將催化出許多新興技術(shù)，從而加速現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，提高通信安全性，并使計(jì)算技術(shù)發(fā)生劇變。”

　　中國量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、中科院院士潘建偉在 2019 年接受《國家科學(xué)評論》（NSR）專訪時(shí)也以經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)引出了量子互聯(lián)網(wǎng)：“眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)是用于傳遞、處理和儲存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網(wǎng)則可以對量子信息進(jìn)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(guān)聯(lián)的狀態(tài)）將是量子互聯(lián)網(wǎng)的基本資源。”

　　歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃 3 月發(fā)布的一份戰(zhàn)略研究議程（下簡稱“歐洲量子議程”）的描述將上述兩種說法串聯(lián)拿起來：量子計(jì)算機(jī)、模擬器和傳感器通過量子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，分配信息和量子資源（如相干、糾纏），從而保障數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

　　我們可以總結(jié)出，量子互聯(lián)網(wǎng)之所以冠以量子之名，實(shí)具備三大要點(diǎn)：一是該網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備是量子設(shè)備，二是該網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁Y源是量子特性，三是該網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞揭蕾嚵孔訖C(jī)制。

　　當(dāng)然，像商用量子計(jì)算機(jī)這樣的先進(jìn)量子設(shè)備仍遙遙無期，要連接量子計(jì)算機(jī)的成熟量子互聯(lián)網(wǎng)總體上確是未來概念。

　　問題二：量子互聯(lián)網(wǎng)與量子保密通信網(wǎng)的關(guān)系是什么？

　　從現(xiàn)階段看，中國在量子保密通信網(wǎng)的建設(shè)上走在世界前列。

　　潘建偉認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)首要的實(shí)際任務(wù)是以一種無條件安全的方式進(jìn)行全球性的密鑰共享，也就是說，量子信息是完全防篡改的。

　　如果將隨機(jī)產(chǎn)生的密碼編碼在光子的量子態(tài)上，依據(jù)量子不可克隆定理，一個(gè)未知的量子態(tài)不能夠被精確地復(fù)制，一旦被測量就會(huì)被破壞。因此，一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，一定會(huì)被發(fā)現(xiàn)。只有使用雙方約定的“打開方式”，才能得到正確的密碼信息。

　　量子不可克隆定理雖然保證了這種量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)被竊聽必留痕跡，但也在工程上帶來了無法像電信號一樣被增強(qiáng)的難題。光子通過長距離光纖傳輸，必然會(huì)產(chǎn)生損耗。

　　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”開通，設(shè)置 32 個(gè)站點(diǎn)，采用“可信中繼”方案，通過人工值守、網(wǎng)絡(luò)隔離等手段保障中繼站點(diǎn)內(nèi)的信息安全。

　　雖然“可信中繼”用經(jīng)典技術(shù)手段防止了鏈路節(jié)點(diǎn)入侵，但相對于量子通信可理論證明的安全性，中繼站還是“量子魔法”的斷點(diǎn)，目前的“量子密碼”需要時(shí)間來實(shí)現(xiàn)“純量子鏈路”。

　　另一方面，量子保密通信傳輸?shù)氖请S機(jī)生成的量子密鑰，而非內(nèi)容信息。

　　對照此前所說的量子互聯(lián)網(wǎng)定義，它尚不能連接量子計(jì)算機(jī)等前沿量子設(shè)備，也不能傳輸糾纏等量子資源，傳輸機(jī)制并未實(shí)現(xiàn)完全的“量子化”。

　　“京滬干線”設(shè)備供應(yīng)商科大國盾量子技術(shù)股份有限公司（以下簡稱國盾量子）總裁趙勇認(rèn)為，各國推進(jìn)的基于量子密鑰分發(fā)（QKD）的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)就是“量子互聯(lián)網(wǎng)”的初級階段，首先實(shí)現(xiàn)信息安全方面的應(yīng)用，最終的目標(biāo)是“全量子網(wǎng)絡(luò)”，將量子計(jì)算、量子傳感和測量等功能融入進(jìn)來，形成量子安全網(wǎng)絡(luò)、分布式量子計(jì)算和量子傳感網(wǎng)絡(luò)。

　　“從初級到終極，信息安全應(yīng)用的定位貫穿量子網(wǎng)絡(luò)的始終，而量子密鑰分發(fā)也將隨著網(wǎng)絡(luò)的升級而升級，貫穿始終。”他說道。

　　問題三：量子互聯(lián)網(wǎng)需要哪些關(guān)鍵技術(shù)？

　　量子互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)景需要量子通信、量子精密測量、量子計(jì)算等領(lǐng)域全方位的突破，鑒于一些國家已經(jīng)開始構(gòu)建初級的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，要從這個(gè)領(lǐng)域切入實(shí)現(xiàn)突破，最關(guān)鍵的還是解決上文提到的“距離”問題。

　　一方面，要用量子中繼器來取代人工保障的中繼站，利用量子糾纏來實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的遠(yuǎn)距離傳送。

　　簡單來說，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對其進(jìn)行測量），另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛“心靈感應(yīng)”。

　　假設(shè)信息的接收方和發(fā)送方各有一個(gè)光子，他們再各自派出一個(gè)與之糾纏的光子作為“中介”，讓兩個(gè)“中介”光子在中繼站點(diǎn)糾纏起來，那么兩者手中留下的光子也會(huì)形成糾纏關(guān)系。

　　這過程中，還需要解決量子儲存、量子糾纏操作等復(fù)雜問題，與量子計(jì)算息息相關(guān)?？梢哉f，量子中繼器研究會(huì)助推量子計(jì)算的發(fā)展。

　　另一方面，高軌道的衛(wèi)星可以作為天基中繼站點(diǎn)，覆蓋超長距離的量子網(wǎng)絡(luò)。2017 年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用世界首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，成功將一對糾纏光子分發(fā)到距離 1200 千米的兩個(gè)站點(diǎn)。

　　而據(jù) WIRED 網(wǎng)站報(bào)道，NASA 計(jì)劃在 2020 年代中后期建立歐洲和北美之間的天基量子鏈路，可能先利用現(xiàn)成的國際空間站進(jìn)行演示，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)時(shí)間的糾纏光子分發(fā)。

　　問題四：各國關(guān)于量子互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃和進(jìn)展如何？

　　厘清量子保密通信網(wǎng)絡(luò)與量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，了解量子中繼技術(shù)和天基鏈路的重要性之后，我們才容易理解美國和歐洲關(guān)于量子互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃。

　　白宮量子構(gòu)想提出，在未來 5 年中，美國公司和實(shí)驗(yàn)室將演示量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道和探索跨洲際距離的天基糾纏分發(fā)。同時(shí)，將查明這些系統(tǒng)的潛在影響和改進(jìn)的應(yīng)用，以獲得商業(yè)、科學(xué)、衛(wèi)生和國家安全方面的益處。

　　未來 20 年遠(yuǎn)景則是量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新功能，同時(shí)促進(jìn)人類對糾纏作用的理解。

　　總投資 10 億歐元的歐洲量子旗艦計(jì)劃認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的目的是超越短距離的量子密鑰分發(fā)，充分發(fā)揮量子通信的潛力，最終走向全球量子互聯(lián)網(wǎng)。為了分配糾纏資源，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的應(yīng)用，量子中繼器是必要的。在這方面需要顯著的研發(fā)投入。

　　歐洲量子旗艦計(jì)劃在 3 年愿景中提到，利用 QKD 協(xié)議和可信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)天基量子密碼；演示一個(gè)可作為未來量子中繼器構(gòu)成模塊的初級鏈路。

　　中長期目標(biāo)（6～10 年愿景）包括：利用量子中繼器演示 800 公里以上距離的量子通信；演示至少 20 個(gè)量子比特的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；演示利用衛(wèi)星鏈路產(chǎn)生糾纏等。

　　中國尚未提出量子互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，但在 2019 年 12 月中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確：“加快量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，統(tǒng)籌布局和規(guī)劃建設(shè)量子保密通信干線網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)無縫對接，開展量子通信應(yīng)用試點(diǎn)。”

　　在項(xiàng)目進(jìn)展方面，今年 2 月，潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥演示了 50 公里遠(yuǎn)的量子存儲器糾纏，刷新世界紀(jì)錄。

　　同在伊利諾伊州的美國能源部阿貢和費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室有望成為美國量子互聯(lián)網(wǎng)上的首兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，今夏將通過芝加哥郊區(qū)地下一段 30 英里長的光纖來試驗(yàn)性地交換量子信息，建立雙向鏈路。

　　歐洲多個(gè)研究機(jī)構(gòu)則已成立“量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”，計(jì)劃近年在荷蘭完成包含3-4 個(gè)量子中繼節(jié)點(diǎn)的鏈路演示，為未來的泛歐量子互聯(lián)網(wǎng)勾勒藍(lán)圖。

　　問題五：量子互聯(lián)網(wǎng)有哪些未來應(yīng)用？

　　潘建偉在 NSR 訪談中提到，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明將人類帶入信息時(shí)代，量子互聯(lián)網(wǎng)則將提供另一個(gè)能夠真正改變世界的機(jī)會(huì)。

　　例如，量子計(jì)算機(jī)會(huì)成為量子互聯(lián)網(wǎng)的重要部分。量子計(jì)算機(jī)建造成本高昂，至少在早期，它將僅通過量子互聯(lián)網(wǎng)提供公共服務(wù)。在這個(gè)場景中，用戶能夠通過量子互聯(lián)網(wǎng)接入到量子計(jì)算機(jī)，通過傳遞量子比特上傳任務(wù)并下載結(jié)果。這也就是量子云計(jì)算的概念。

　　哈佛大學(xué)量子物理學(xué)家 Mikhail Lukin 在 2018 年的一篇《自然》新聞報(bào)道中也表示，從現(xiàn)階段來看，量子計(jì)算機(jī)需要通過互聯(lián)來超越幾百個(gè)量子比特的規(guī)模。

　　參與歐洲“量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”的荷蘭科學(xué)家 Ronald Hanson 則補(bǔ)充道，更棒的是，量子云計(jì)算還得到了量子保密。

　　歐洲“量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”還展望了量子互聯(lián)網(wǎng)在廣義科學(xué)領(lǐng)域的變革性影響，例如把距離遙遠(yuǎn)的原子鐘互聯(lián)，大幅提高時(shí)間準(zhǔn)確性。天文學(xué)家也可以解決甚長干涉基線中的時(shí)間同步問題，讓距離遙遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)有力地合體。

　　問題六：量子互聯(lián)網(wǎng)會(huì)否替代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)？

　　正如科學(xué)家們建造量子計(jì)算機(jī)是為了更好地解決特定問題，而非普遍問題，量子互聯(lián)網(wǎng)的目的不是替代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)，也很難替代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)。

　　歐洲量子旗艦計(jì)劃認(rèn)為，量子網(wǎng)絡(luò)的作用是兼容、擴(kuò)充現(xiàn)有的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，量子密鑰分發(fā)需要和密碼算法結(jié)合使用，也需要通過“量子信道+經(jīng)典信道”來完成：量子信道傳輸量子信號，經(jīng)典信道交互從中提取安全密鑰的處理方法。

　　因此，量子保密通信網(wǎng)絡(luò)往往在現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如中國電信等電信運(yùn)營商）之上部署。

　　瑞士日內(nèi)瓦大學(xué) Nicolas Gisin 對《自然》說道：“現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)絕不可能徹底量子化。”

　　加拿大滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家 Norbert Lütkenhaus 也認(rèn)為，有些想法乍一聽很棒，但其實(shí)不用量子技術(shù)也能輕松實(shí)現(xiàn)。

　　趙勇對澎湃新聞表示：簡化了理解，當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)是“用于傳遞、處理和儲存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)”，量子互聯(lián)網(wǎng)則是對量子信息進(jìn)行同樣的傳遞、處理和存儲。“量子互聯(lián)網(wǎng)”不是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的替代，而是在互聯(lián)網(wǎng)上疊加新功能的基礎(chǔ)設(shè)施。

總結(jié)

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