量子網際網路時代就要來了？多國加緊部署，相繼推出建設計劃

近日，美國能源部發布了題為《建立全國量子網 引領通信新時代》的報告，提出10年內建成全國性量子網際網路的戰略藍圖，並希望藉此確保美國處於全球量子競賽前列，引領通信新時代。

美國能源部方面稱，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，「幾乎不可破解」，未來將對科學、工業以及國家安全的關鍵領域產生深遠影響。

消息一出，就引發了眾多疑問：量子網際網路究竟是什麼？它將給世界和我們的日常生活帶來哪些影響？在發展量子網際網路的路上，會遭遇哪些「攔路虎」？

信息無法被竊取複製，安全係數最高

上海交通大學集成量子信息技術研究中心（IQIT）主任金賢敏解釋說，量子網際網路由大規模分布的量子節點和連結各個節點的量子信道組成，用於實現各類量子增強的通信、計算和計量等技術。「一直以來，實際可用的量子網際網路是量子信息科學領域追尋的目標之一。」金賢敏說。

早在2018年，《科學》雜誌就曾發表文章《量子網際網路：發展願景》，其中描述了量子通信網絡的發展藍圖。文章稱，量子網際網路不是現有網際網路的簡單替代，而是為其加上「盾牌」的新型基礎設施。中國量子通信領域的領軍人物、中國科學院院士潘建偉2019年在接受媒體採訪時也提到了量子網際網路，他說：「眾所周知，網際網路是用於傳遞、處理和儲存經典信息的全球性系統。量子網際網路則可以對量子信息進行同樣的傳遞、處理和存儲。量子比特和量子糾纏（量子比特互相關聯的狀態）將是量子網際網路的基本資源。」

美國能源部的報告中提到，由於量子網際網路具有特殊的訪問方式，每一次訪問都會留下不可磨滅的「痕跡」，因此其被稱為「最安全的網際網路」。據潘建偉解釋，從實際應用的角度來看，量子網際網路的首要任務是以一種無條件安全的方式進行全球性的密鑰共享，如果將隨機產生的密碼編碼在光子的量子態上，依據量子不可克隆定理，一個未知的量子態不能夠被精確地複製，一旦被測量就會被破壞。因此，一旦有人竊取並試圖自行讀取量子密鑰，就一定會被發現。

據了解，量子網際網路不僅可用來傳輸加密信息，還能支持基於雲的量子計算，有望在多個領域大顯身手。美國能源部的報告顯示，其籌備建設的量子網際網路將首先應用於銀行和醫療服務部門，未來還有望在國家安全和飛機通信領域施展拳腳。報告中還提到，「最終，手機內使用量子網絡技術可能會對每個人的生活帶來廣泛影響」。

另外，創建超級靈敏的量子傳感網絡還有助於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。

據專家介紹，量子網際網路是一步一步向前演進的，不斷把量子計算、量子傳感、測量等各類功能融入進來，最終的目標是形成包括量子安全網絡、分布式量子計算和量子傳感網絡在內的「全量子網絡」。美國能源部在報告中稱，人們正在形成一個共識——量子網際網路是21世紀最重要的技術前沿之一。

引發全球關注，各國競相布局

鑑於量子網際網路安全性高、應用領域廣泛的特點，全球多個國家都在研發這種新型通信方式。

據悉，今年2月，美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學的科學家在芝加哥郊區成功建立了一個52英裡的糾纏光子「量子環」，這是美國迄今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連接，構成一個80英裡的三節點試驗平臺。此外，石溪大學和布魯克海文國家實驗室聯手勞倫斯伯克利國家實驗室，已經搭建了一個80英裡長的量子網絡試驗平臺，同時正積極進行網絡的擴展工作。

量子網際網路也吸引了其他國家的關注。荷蘭、加拿大、日本、韓國、俄羅斯等國以及歐盟也在加緊部署量子網絡建設。

2016年5月，歐盟就提出了「歐洲量子技術旗艦計劃」，總投資約10億歐元，主要目標之一就是利用10年時間建成量子網際網路。

此外，據俄羅斯《消息報》網站今年4月份報導，俄羅斯將利用俄羅斯鐵路公司的基礎設施打造量子網際網路平臺，該平臺試驗區將在2021年啟動，金融機構、國家集團、生產企業和基礎設施可能成為首批用戶。

近年來，我國也在大力發展量子通信技術，並在量子通信領域取得了舉世矚目的成就：2017年，全長2000餘公裡的世界首條量子保密通信骨幹線路「京滬幹線」項目通過總技術驗收；今年6月，中國科學技術大學潘建偉研究團隊利用全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，在國際上首次實現基於糾纏的無中繼千公裡級量子保密通信。

金賢敏認為，這些成就對於我國構建量子網際網路具有重要意義，同時也標誌著我國量子網際網路的研究與發展已經處於國際先進水平。

走向實用化，關鍵在中繼器

然而，量子網際網路的發展之路並非一條坦途。

金賢敏指出：「對於量子網際網路發展中的挑戰，科學家們一直致力於解決兩個關鍵問題，一是光子通過長距離光纖傳輸，在傳播中的損耗會隨距離呈指數型增加；二是光量子態的產生具有概率性。這兩個問題使得量子網際網路的實際運行效率很低。」

據了解，量子網際網路需要量子通信、量子精密測量、量子計算等領域全方位的突破。金賢敏表示，從長遠來看，將真正的全量子網際網路推向實用化的關鍵仍然在於量子中繼器。

簡單來說，處於糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變（比如人們對其進行測量），另一個的狀態會瞬時發生相應改變。假設信息的接收方和發送方各有一個光量子，它們再各自派出一個與之糾纏的光量子作為「中介」，讓兩個「中介」光量子在中繼器糾纏起來，那麼兩個留下的光量子也會形成糾纏關係。

在信息通信領域中，量子中繼器是一個廣泛的概念，它就像信息高速公路上的「加油站」，主要通過糾纏交換、糾纏純化和量子存儲等基本技術實現對量子態的糾纏操縱，幫助信息傳輸到更遠的距離，從而突破量子通信距離的限制。

今年3月，哈佛大學和麻省理工學院的研究人員在《自然》雜誌發表了一項研究成果，其中提到，本質上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計算設備，它必須能夠有效地捕獲和處理量子信息，並將其存儲足夠長的時間，以將信息傳輸至數千公裡之外。

金賢敏研究團隊一直致力於量子中繼器走向實用化的關鍵問題研究，並實現了一種混合架構的、可在室溫下運行的寬帶量子存儲網絡，這對於量子網際網路的實際應用具有重要意義。據介紹，該成果已於今年上半年在《科學》雜誌子刊《科學進展》上發表。

金賢敏進一步指出：「構建可實際應用的量子存儲器，挑戰來自於需要同時滿足高存儲帶寬、長壽命、高效率和低噪音等指標，更重要的是能夠在室溫條件下工作，這是艱難而又意義深遠的一步。」

在量子技術日趨成熟和接近商用的今天，我國的量子技術研究不斷取得突破。「未來，我們期待充分挖掘基於實際可用的量子中繼器的量子網際網路，能夠通過構建更多節點和提升節點性能的方式，使得量子網際網路具有完全可擴展性和豐富的量子信息處理能力。通過共同努力，最終實現全球量子網際網路。」金賢敏如是說。

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