美國計劃10年內建成「國家量子網際網路」！無法破解，堅不可摧

【新智元導讀】近日，美國公布了一項致力於打造量子網際網路的計劃，目標是十年內建成與現有網際網路並行的第二網際網路，讓網絡共享信息變得「無法被攻破」，此舉或將掀起新一輪的「量子追逐賽」。

剛剛，美國公布了一項計劃，將致力於打造量子網際網路。

美國官員和科學家表示，其目標是十年內打造與現有網際網路並行的第二網際網路，使用量子力學定律安全共享信息並連接新一代計算機和傳感器。

芝加哥大學普利茲克大學分子工程學院教授，阿貢國家實驗室資深科學家David Awschalom稱量子網際網路項目是美國量子研究計劃的支柱。

據悉，美國能源部及其17個國家實驗室將成為該項目的骨幹。

量子網際網路：夢想很美好，現實很骨感

量子網際網路想要成為現實，絕非那麼簡單，需要把傳統網際網路「脫胎換骨」。

跟經典網絡的物理層不同，量子網絡的物理層要負責量子信息的生成，定時和同步。數據鏈路層要負責運行物理層，從而嘗試在可控量子節點之間產生糾纏。

網絡層將負責在未直接連接的節點之間產生長距離糾纏，通過使用鏈路層進行糾纏交換以在相鄰可控節點之間生成糾纏來實現。傳輸層不僅要遠距精確傳輸量子比特，還要考慮跟經典網絡的兼容。

TCP / IP 5層參考模型與Quantum Internet網絡體系結構

量子網際網路的關鍵組成部分是什麼，它們需要滿足哪些性能？

從經典網絡的基本結構出發，要構建量子網際網路，首先要搭建起可靠的底層物理設備。

根據《美國量子網絡戰略遠景》報告，下面這些量子技術及物理設備是實現量子網際網路的先決條件：

• 量子探測器，超低損耗的光通道，空對地連接及經典的網絡和網絡安全協議。
• 糾纏態和超糾纏態以及量子態的傳輸，控制和測量。
• 用於量子源和傳統源的信號轉換器。
• 更可靠的量子存儲緩衝器和小型量子計算機。
• 使用量子中繼器進行長距離糾纏分布（地面和空間），允許在小規模和大規模量子處理器之間使用基於糾纏的協議。

使用經典網絡控制與配備量子硬體的節點進行交互的級聯量子網絡

有了這些量子網絡設備，就能搭建量子網際網路了嗎？

其中最重要的就是克服各個源之間的連接性，以及各層之間的級聯操作。

對於連接性，可以搭建一個系統級工程，來統一所有組件可操作的屬性，比如帶寬、波長、佔空比等。

有傳輸就有損耗，傳統的網絡可以通過信號增強等手段來彌補，但是量子網絡就不行了。有沒有解決辦法呢？答案就是採用一個量子中繼器。

與經典中繼器的操作不同，量子中繼器在傳輸過程中不會放大處於糾纏狀態的光子，而是通過消耗第二個糾纏對的資源，利用這個糾纏對來「傳遞」糾纏屬性。

雖然量子網絡的傳輸性能大大超越了傳統的網絡傳輸，但是由於中繼等原因也不可避免發生錯誤。

我們知道，量子網絡的根本是量子糾纏，糾纏對固有地存在於網絡的物理層中。而在經典網絡中，共享狀態通常是在更高的層建立。在這種情況下，必須要保證糾纏分布及量子中繼器等網絡設備是高保真的。

當然量子網際網路要解決的問題遠不止這些，需要信息安全、計算機科學、應用物理等領域的技術高度配合，但它的前景無疑是光明的，只是需要分步去實現。

量子網際網路是「無法攻破」的嗎？

你如果製備了一對總自旋為0的糾纏態電子，一個放在北京，一個放在廣州，觀測到北京的電子自旋向下，那廣州的電子就不用測了，肯定是自旋向上的，量子網際網路就是利用這種糾纏進行信息傳輸的。

「自古以來，人類對於通信安全的追求從未停止。但是隨著數學和算法的不斷發展，基於計算複雜性傳統加密技術不斷受到挑戰：1999年，傳統加密算法RSA512被破解；2009年，RSA768被破解；目前尚未被破解的RSA1024，也被認為遲早會被破解」。

中科院院士潘建偉表示，利用「量子不可克隆定理，量子不可分割」的特性，在遙遠兩地的用戶，可共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，保證通信安全。這也是目前已知唯一的不可竊聽、不可破譯的分發方式。

理論上，量子網際網路在傳輸過程是安全的。但如果分發端和用戶端被入侵，私鑰被竊取仍會導致信息洩露。

量子網際網路競賽方興未艾，未來誰會佔領科技高地？

1900年，德國物理學家「量子力學之父」Max Planck創立了量子理論。而100多年後，量子網際網路通信成為了可能。

網際網路的問世極大地改變著人們的生產和生活方式，而量子網際網路將會加速現有網際網路的發展，提高通信安全性，並使計算技術發生劇變。為了搶佔未來的科技高地，全球各國都將不遺餘力大力發展量子網際網路。

美國

一直以來，美國政府都希望在推動早期量子信息科學研究、引導國家研發活動時發揮至關重要的作用，從而釋放本國經濟增長和技術進步的巨大潛力。

自2018年開始，川普政府在量子信息科學方面的動作不斷。白宮國家科技委員會（NSTC）在2018年6月成立了量子信息科學子委員會，協調聯邦政府關於量子信息科學的研發活動。

同時，美國能源部宣布將成立多個國家級實驗室，投入2.18億美元到85個量子技術研究項目，並在未來五年內，每年為每個實驗室撥款2500萬美元。

同年10月，美國一家創業公司Quantum Xchange表示，它已被允許接入沿美國東海岸運行的 500 英裡（805公裡）光纖電纜，用以為美國創造該國的首個州際、商用量子密鑰分發網絡。至此，美國第一個大型量子網際網路項目已初具雛形。

此外，今年2月，川普政府在2021 年度的政府財政預算提案中提到，希望將更多資金投入到人工智慧和量子信息科學當中。可見，美國政府對量子信息科學發展的重視。

中國

雖然量子通信領域仍處於發展初期，但是中國在量子通信領域已佔據領先地位，有望和美國在量子計算領域一較高下。

早在2016年，中科院院士潘建偉曾表示，「中國計劃用 15 年左右時間，構建天地一體的有量子通信安全保障的未來網際網路，即量子網際網路。」

中國一直以來尚未提出量子網際網路戰略，但在去年年底國務院發布的《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》中明確表示，「加快量子通信產業發展，統籌布局和規劃建設量子保密通信幹線網，實現與國家廣域量子保密通信骨幹網絡無縫對接，開展量子通信應用試點。」

時至今日，中國的量子網際網路建設取得了令人矚目的成就。 而在中國，「中國量子之父」潘建偉院士所做的成績最為突出。

6月15日，潘建偉院士團隊再次獲得新的科研突破，利用全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」實現了無中繼千公裡級保密通信。

今年2月，潘建偉院士團隊演示了50公裡遠的量子存儲器糾纏，刷新世界紀錄，這為解決大規模量子網際網路的關鍵技術問題提供了思路。早在2005年，潘建偉團隊就在合肥大蜀山實現了13公裡的量子糾纏分發。2017年，該團隊利用「墨子號」創下了世界量子糾纏分發距離的紀錄，達到1200千米。

中國科大與清華大學合作成功在3月份合作分別實現了500公裡量級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發（TF-QKD）和相位匹配量子密鑰分發（PM-QKD）。

荷蘭

實際上，荷蘭也是量子網際網路建設領域的一大玩家，它是歐洲量子網際網路建設中的核心成員。

QuTech 是一家研究量子科學的頂尖學術機構，由荷蘭代爾夫特理工大學和荷蘭應用科學研究機構（TNO）共同運作，同時還是英特爾公司的研發合作夥伴。

2018年6月，Hanson Lab的研究員開發了一組新型智能通信協議，可根據需要產生量子糾纏並提供保護，QuTech 成功使兩塊量子晶片產生量子糾纏。於此，當時不少人都認為荷蘭有望率先建成全球首個量子網際網路。

日本

日本早在2012年就計劃成立量子信息和通信研究促進會以及量子科學技術研究開發機構，未來 10 年內投資400億日元，支持量子通信和量子信息領域的研發。

年初，日本東芝公司和日本東北大學的研究人員用量子保密通信技術在短時間內傳輸了多達數百吉字節的人類基因組測序數據，據稱這是全球首次用量子保密通信技術如此短時傳輸大量數據。

當前，中國、美國、歐洲和日本等多個國家都積極地參與量子網際網路的建設，那麼究竟誰會率先建成量子網際網路，讓我們拭目以待。

參考連結：

https://www.washingtonpost.com/technology/2020/07/23/us-plan-quantum-internet/

https://www.guancha.cn/PanJianWei/2017_09_19_427685.shtml