澎湃新聞記者 虞涵棋
多家美國媒體近日報導稱，美國能源部（DOE）提出建立全國性量子網際網路的戰略藍圖，希望在10年內完成。該量子網際網路利用量子力學定律，能比現有網絡更安全地傳輸信息，「幾乎無法被黑」。
據澎湃新聞此前報導，今年2月份，美國白宮網站就發布了一份《美國量子網絡戰略構想》，提出美國將開闢量子網際網路，確保量子信息科學惠及大眾。
事實上，美國並非首個提出「量子網際網路」藍圖的國家。早在2017年，若干歐洲研究機構就成立了「量子網際網路聯盟」（QIA），計劃近年在荷蘭完成包含3-4個量子中繼節點的鏈路演示，為未來的泛歐量子網際網路勾勒藍圖。
業內專家表示，量子網際網路可以理解為量子通信技術支撐的一種產生和使用量子資源的新型功能網絡。它不是對現有網際網路的替代，而是為網際網路加上新功能的新型基礎設施。「幾乎無法被黑」的量子密碼網絡只是量子網際網路的其中一部分功能，其終極階段將是用量子隱形傳態或量子糾纏交換技術作為連結，將用戶、量子計算機、量子傳感器等節點連為一體，產生、傳輸、使用量子資源。
正因如此，量子網際網路對人類在原子尺度上精確操縱物質的能力提出了極高要求，很多關鍵技術瓶頸尚未突破。
那麼，此次美國公布的戰略藍圖打算如何解決這些問題？
澎湃新聞記者了解到，此次戰略藍圖為美國能源部先進科學計算研究辦公室2月份初召開的一次研討會的成果報告，參與方包括美國能源部下屬國家實驗室、高校、產業界和相關政府部門。他們為創建首個全國性量子網際網路設計線路圖，「列出必須的研究綱要，細化工程和設計障礙，並建議從目前局限性的地方網絡實驗走向可行、安全的量子網際網路。」
報告的核心信息包括兩大部分：四大優先研究方向和五大實施節點。
四大優先研究方向
優先方向一：為量子網際網路提供基礎性積木
關鍵問題：量子網際網路的關鍵積木是什麼，以及它們需滿足怎樣的表現指標？
這裡面具體涉及到開發關鍵部件的技術和平臺，包括量子限制探測器、超低損耗互連、空對地連接、經典網絡和網絡安全協議；
產生糾纏和超糾纏態的產生，傳輸、控制和測量量子態；
將量子源和信號從光學和電信波段轉移到量子計算機相關波段，包括微波；
開發與基於光學或電信波長光子的量子比特兼容的量子存儲器和小規模量子計算機；
利用量子中繼器實現遠距離糾纏分發（地面和天基），探索小規模和大規模量子處理器之間長距離糾纏的新算法和應用。
優先方向二：整合多個量子網絡設備
關鍵問題：如何克服將多個量子網絡設備整合成高性能量子網際網路部件的物理障礙？
這裡涉及的技術包括用通過系統級工程統一現有組件的工作特性（帶寬、波長、佔空比）；
用高速率（GHz）量子糾纏源、量子存儲緩衝器、探測器補償級聯操作損耗；
進一步開發關鍵量子網絡組件，如高度、低損耗量子開關和多路復用技術。
優先方向三：為量子糾纏創建中繼、開關和路線
關鍵問題：如何創建為全國性量子網際網路服務的基礎網絡？
核心技術是利用基於量子糾纏交換原理的量子中繼器，超越一對固定目的地之間的簡單糾纏分發。
優先方向四：實現量子網絡功能的糾錯
關鍵問題：如何實現能容錯的網絡功能？
解決方案在於找支持糾纏分發和隱形傳態的高保真網絡設備，以及可以補充損耗、容許操作糾錯的量子中繼器方案。
五大節點
節點一：現有光纖網絡上驗證安全量子協議
這一步僅涉及到量子密鑰分發，是量子網絡的雛形演示。據澎湃新聞此前報導，隸屬於美國能源部的橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯兩大國家實驗室6月宣布通過在城市變電站中安置可信節點，實現電網中三個量子密鑰分發（QKD）系統的中繼。這可以視作節點一的初步完成案例。
節點二：校園或城市間糾纏分發（量子糾纏分發網絡）
這一步相比起節點一，波動、損耗和錯誤容耐度更低，經典網絡和量子網絡實現初步整合。大芝加哥地區正在建設的伊利諾伊快線量子網絡就是一個例子，站點包括西北大學、費米實驗室和阿貢實驗室。
節點三：運用糾纏交換實現城際量子通信（量子存儲網絡）
這一步需要用到初級的量子存儲器和量子中繼器。紐約長島地區的石溪大學和布魯克海文實驗室計劃將量子網絡延伸到曼哈頓地區，建成後將是世界上第一個量子中繼網絡。
節點四：運用量子中繼器實現州際量子糾纏分發
到這一步，經典網絡和量子網絡技術將相互融合。量子網際網路並非獨立存在。量子信息被編碼在光子中，通過經典光纖傳輸。不過，由於量子信息不能像傳統數字信息一樣放大，短期內衛星可以作為中介「橋梁」，長期來看則需要高效、健壯的量子中繼器。預計橫跨大西洋的鏈路需要100餘個中繼器。
節點五：建立實驗室、學術界和產業界之間的多方生態系統，從演示向運行過渡。
要點包括：使用全球網絡公司的可用設施；
利用ESnet的光學同步技術和網絡配置更高通信級別的複雜量子網絡；
制定低成本從商業合作夥伴處購買（或租賃）光纖基礎設施的方案；
與光纖供應商合作敲定光纖質量、地圖、拓撲結構和損耗；
探索空間優化以設立光纖交換點的可行性；
在專業初創公司的協助下發展一批支持新型量子網絡的「量子智能」勞動力；
與專業研究中心和其他就合作，建立可複製、可部署的量子通信硬體技術標準；
與美國空軍研究實驗室或美國航天局同期研發的空間光學和衛星網絡進行協調；
推動大型通信公司採用第一代量子通信設備。
責任編輯：李躍群
校對：丁曉