有了量子網際網路就能開採更多的石油嗎

近日，美國能源部在一場發布會上說，美國量子網絡的研究已從小規模實驗轉向全國性量子網際網路設施建設，預計用10年時間建成。溜達斯最近查了下資料，跟大家嘮嘮到底什麼是量子網際網路，到底需要怎樣建設量子網際網路，建成之後有什麼意義。

什麼是量子網際網路

對於什麼是量子網際網路，中國工程院院士潘建偉說，量子網際網路由可以處理和儲存量子信息的節點與傳遞量子信息的信道組成。雖然量子網際網路與現有網際網路根本目的都是信息的運算、存儲和傳遞，「但因為攜帶信息的基本單元，運算、存儲和傳送規則的不同，帶來的整體網絡架構、網絡協議、設備單元、中繼和終端等也會有根本性的變革。」北京大學自動化學院教授王健全在接受媒體採訪時這麼說過。

那麼，什麼是量子信息？度娘說，量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果,發揮量子相干特性的強大作用,探索以全新的方式進行計算、編碼和信息傳輸的可能性,為突破晶片極限提供新概念、新思路和新途徑。溜達斯簡單理解一下，就是把量子物理和信息技術結合起來，為信息傳輸提供新思路的一種牛掰的技術。

而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。

有多牛？它是一個幾乎無法破解的高速網絡！

量子網際網路到底有什麼用

就像美國能源部的報告描述的那樣，「早期該網絡服務的客戶可能是銀行、醫療服務、國家安全以及飛機通信。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。」「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，創建超級靈敏的量子傳感網絡可以讓工程師能夠更好地檢測和預測地震，或者尋找地下的石油、天然氣或者礦產。」這對於全人類來說，真是好事。

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。

專家表示，美國的量子網際網路還需要過理論和設備是量子網際網路發展的兩道坎。現有的網際網路遵循的是基本的通信理論，如香農資訊理論、排隊論、奈奎斯特抽樣定理等；而量子網際網路遵循的是量子力學，是量子理論和信息學科的交叉融合理論。但目前量子系統理論還未完全建立。

這就給量子網際網路的建設帶來了困難。對於美國來說，需要各個部門高度協同，10年，只是保守估計。

而量子網際網路未來的應用前景也十分值得期待。以量子傳感器為例，相比較於傳統的傳感器，量子傳感器更敏感、更精準，能夠完成很多看起來不可能完成的任務。比如對於阿爾茨海默症，量子磁力儀可以成本更低、更靈敏地檢測到早期病症；比如癌症，一種名為微波斷層成像的技術已應用於乳腺癌的早期檢測多年，而量子傳感器則有助於提高這種技術的靈敏度與顯示解析度，而且其成像不會對人體造成電離輻射；比如自動駕駛，基於冷原子的量子傳感器，導航系統不僅可以將位置信息精確到釐米，還具備在水下、地下和建築群中等導航衛星觸及不到的地方工作的能力。而有了量子傳感網絡，就可將量子傳感器的這些能力更高效的利用，普惠大眾，就像今天的雲計算一樣。

量子網際網路的建設難不難

量子網際網路面臨理論和現實的雙重困難，當然，還需要各個部門的高度協同，否則根本推進不下去。量子網際網路目前僅有的相對成熟的理論還局限於量子密鑰分發(QKD)協議，如BB84、GG02、TF等，僅能夠實現密鑰的安全分發；對於基於糾纏分發、量子中繼等新技術，有望連接分布式量子計算機、突破經典通信容量極限的「量子網際網路」，其理論基礎、網絡架構、傳輸協議、接口協議等均處於空白。

從設備的角度看，基於量子糾纏分發、存儲、傳送、計算、傳感的系列設備還不成熟，或者說構建量子網絡單元的系列設備研究還處於初級階段，相應的標準就更是缺乏。

此前，《Science》的文章《Quantum internet：A vision for the road ahead》認為，量子網際網路其功能發展由近及遠可分為六個階段：第一階段是可信中繼的網絡；第二階段是製備測量網絡；第三階段是糾纏分發網絡；第四階段是量子存儲網絡；第五階段是容錯量子比特網絡；第六階段是量子計算網絡。《Science》文章中提到，現今的量子網際網路處於第二階段，代表性的技術是基於可信中繼的量子密鑰分發網絡，其能夠帶來更加安全的網絡通信。

量子網際網路從理論到實踐還要走很長的路，但每一次探索和新發現，都是人類的一大步。