「量子網際網路」藍圖公布，美國拉響未來10年全球量子競賽

本文源自《墨子沙龍》，《知識分子》略有改動

導 讀

量子力學始於20世紀初，普朗克、愛因斯坦、玻爾、薛丁格、海森堡、狄拉克等人的思想奠定了量子力學的理論框架，隨後，量子物理催生出雷射、電晶體和核磁共振成像等現代技術。最近幾十年，量子技術發展迅猛，人們可以在原子尺度上精確控制和操縱微觀粒子，新的量子控制技術有潛力催生廣泛的技術革命，又一次量子革命的火苗浮現。在量子科技領域，與歐美相比，中國起步較晚，但過去二十年間，發展迅速，特別在量子通信領域，中國已經成為國際領跑者。

美國不甘落後。2018年底，頒布《國家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act），宣稱絕不能容忍在量子科技領域落後。在中美關係陷入不確定性的大背景下，近日，美國公布了量子網際網路發展的戰略藍圖，以支撐《國家量子倡議法案》的順利施行，確保美國處於全球量子競賽的前列。美國能源部的17個國家實驗室是美國量子網際網路戰略實施的主要支柱。

美國國家實驗室制度始於20世紀上半葉，二戰期間及戰後，在國家戰略承擔和實施上，發揮了巨大的作用，滿足國家重大戰略需求是國家實驗室的主要使命。多學科深度融合，人員和資源高效協調，使得國家實驗室時至今日依然是美國國家創新核心力量的體現。費米實驗室主任 Nigel Lockyer 指出，對於量子網際網路的實施，「國家實驗室是最適合來促進這種整合的」。

美國已經來了，全球量子競賽愈發劇烈。中國雖然在量子通信領域，處於領跑者位置，但美國舉全國科技力量在全面布局，我們稍有鬆懈，便面臨被超越的風險。在量子技術的積累上，中國、美國各有其優勢和不足，誰將取得量子時代的領先，未來十年將至關重要。

圖片來自UChicago

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以下內容譯自美國能源部網站：

全國協力建設量子網絡，引領通信新時代

Nationwide Effort to Build Quantum Networks

and Usher in New Era of Communications

（芝加哥，伊利諾州） 今天 （指當地時間7月23日） ，在芝加哥大學召開的新聞發布會上，美國能源部公布了一份報告，該報告規劃了美國量子網際網路發展的戰略藍圖，提出要確保美國處於全球量子競賽的前列，引領通信新時代。該報告為確保《國家量子倡議法案》 （於2018年12月由川普總統籤署而成為法律文件） 的順利施行，提供了行動路線。

全世界正在達成共識，即認為基於量子力學的通信系統是21世紀最重要的技術前沿之一。如今，科學家們相信，在未來十年內，這種通信系統原型機將得以實現。

今年2月，來自美國能源部的各個國家實驗室、大學以及工業界的人士相聚紐約，制定了國家量子網際網路的戰略藍圖：闡述了需要完成的基本研究內容，描述了工程和設計上的瓶頸，並設定了近期目標。

「能源部為在國家量子網際網路的發展中所發揮的重要作用感到自豪」，美國能源部長 Dan Brouillette 說，「通過構建這種新興技術，美國必將繼續保持和擴大量子領域的能力。」

美國能源部的17個國家實驗室將成為未來量子網際網路的支柱。量子網際網路將基於量子力學定律來更加安全地控制和傳輸信息。量子網際網路目前處於發展的初始階段，它將成為一個安全的通信網絡，並對科學、工業以及國家安全的關鍵領域產生深遠影響。

在芝加哥地區，建立這樣一個網際網路的關鍵步驟已經在進行中了，那裡已經成為全球領先的量子研究中心之一。今年2月，來自能源部阿貢國家實驗室 （位於伊利諾斯州萊蒙特） 和芝加哥大學的科學家們在芝加哥郊區成功建立了一個52英裡的糾纏光子 「量子環」，這是美國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 （位於伊利諾斯州巴達維亞） 連接，建立起一個80英裡的三節點試驗平臺。

「芝加哥大學、阿貢國家實驗室和費米國家實驗室聯合，在人才和技術上具有領導地位，使芝加哥在量子信息技術的全球競爭中處於中心地位」，芝加哥大學校長 Robert J. Zimmer 說，「這項工作將定義和建立全新的研究領域，並勢必帶來技術應用的新前沿，從而提高世界各地許多人們的生活質量，使我們的城市、州和國家具有長期競爭力。」

「在加速科技進步以促進美國繁榮和安全方面，阿貢實驗室、費米實驗室和芝加哥大學有著悠久的合作歷史」，阿貢實驗室主任 Paul Kearns 說，「在應對建立國家量子網絡的挑戰上，我們將延續傳統，擴大合作，充分發揮全國各地科學家和工程師的巨大力量。」

「幾十年後，當我們回望量子網際網路的誕生時，我們可以說最初的連接點就在芝加哥—— 在費米實驗室、阿貢實驗室和芝加哥大學」，費米實驗室主任 Nigel Lockyer 說，「作為現有科學生態系統的一部分，能源部的國家實驗室是最適合來促進這種整合的。」

一系列獨特的能力

A range of unique abilities

量子傳輸的一個特徵是，信息傳遞過程中，竊聽是極其困難的。科學家們計劃利用這一特性來建立一個幾乎不可破解的網絡。早期用戶可能包括銀行和醫療服務等行業，以及國家安全和飛機通信。最終，量子網絡技術在手機中的應用可能會對全世界每一個人的生活產生廣泛影響。

科學家們也正在探索量子網際網路如何加速海量數據的交換。該報告稱，如果網絡可以進行組合和擴展，那麼社會可能就處在數據通信突破的風口浪尖。

最後，創建超靈敏量子傳感器網絡可以讓工程師能更好地監測和預測地震—— 一個長期的、難以企及的目標，或者是尋找地下的石油、天然氣或礦產。這種傳感器還可以應用於醫療健康和成像領域。

多實驗室、多機構的共同努力

A multi-lab， multi-institution effort

要創建一個成熟的量子網際網路原型，需要多方的密切協調，包括能源部、國家科學基金委、國防部、國家標準與技術研究所、國家安全局、NASA 等聯邦機構，以及國家實驗室、學術研究所和工業界。

該報告列出了關鍵的研究內容，包括：構建併集成量子網絡設備、量子信息的保持和路由、糾錯。然後，要把全國性的網絡付諸實施，有四個關鍵的裡程碑: 現有光纖網絡上安全量子協議的驗證；跨越校園或城市發送糾纏信息；擴展網絡，實現城市間的連接；最後，通過量子中繼增強信號，實現州與州間的量子網絡。

「量子網絡的基礎取決於我們在原子尺度上精確合成和操縱物質的能力，包括單光子的控制」，芝加哥大學普利茲克分子工程學院的分子工程學 Liew Family 講席教授、阿貢國家實驗室高級科學家、Chicago Quantum Exchange 主任 David Awschalom 說，「我們的國家實驗室擁有世界一流的設備，可以對材料進行亞原子解析度的成像，還有最先進的超級計算機來模擬材料的行為。這些強大的資源對於加速量子信息科學和工程的進展，以及在與學術和企業夥伴的合作中領導這一快速發展的領域來說至關重要。」

「除了與芝加哥大學的合作，費米實驗室還與阿貢實驗室、加州理工學院、西北大學以及科技新興公司合作開發架構，並逐步部署和連接橫跨芝加哥市的量子通信節點。很快，與這第二組合作者一起，我們將能在一個大都市網絡中遠距離傳輸數據」，費米實驗室量子項目領頭人 Panagiotis Spentzouris 說，「這份藍圖很重要，它告訴我們如何在全國範圍內開展這項工作。」

其他國家實驗室也在推動量子網絡和相關技術的發展。例如，石溪大學和布魯克海文國家實驗室與總部設在勞倫斯伯克利國家實驗室的能源部 Energy Sciences Network 合作，已經建立了一個80英裡的量子網絡試驗平臺，同時正積極地在紐約州、橡樹嶺國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行網絡的擴展。其他研究小組則專注於開發信息高度安全的量子密碼系統。