美國打算花十年建量子網際網路，中國需要嗎？

文|李佳師

近日，美國能源部在其量子研究大本營芝加哥發布了一份報告，公布了《美國量子網際網路發展戰略藍圖》(簡稱《藍圖》)，透露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。《藍圖》提出要確保美國在全球量子競賽中處於前列，闡述了美國量子網際網路需要完成的基本研究內容以及工程和設計上的瓶頸，並設定了近期的目標。

量子網際網路和今天的網際網路有什麼區別，為什麼需要10年才能建成，其中有哪些難點；美國量子網際網路與中國已經建成的量子通信京滬幹線有關聯嗎；量子網際網路大概得需要多少錢才能夠建成？

量子網際網路到底是什麼

究竟什麼是量子網際網路？中國工程院院士潘建偉認為，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。

「當前的網際網路傳遞、處理、儲存的是經典信息，而量子網際網路傳遞、處理、存儲的是量子信息。」國盾量子公司總裁趙勇接受媒體記者採訪時給出量子網際網路與現在網際網路的區別。

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《中國電子報》採訪時表示。

而從老百姓的視角來看，這樣「高精尖」的量子網際網路究竟與我們的生活有什麼樣的關係？我們已經有了網際網路，為什麼世界各國對於量子網際網路還如此「痴迷」？

就像每一次科學進步就為我們打開一個新世界一樣，量子網際網路的到來同樣會給我們創造一個更美麗的新世界。用潘建偉的話說：「網際網路的發明將人類帶入資訊時代，量子網際網路則將提供另一個能夠真正改變世界的機會。」

簡而言之，科學家們希望利用量子的疊加性、糾纏性等一系列特性，來構建一個幾乎無法破解的高速網絡。

「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。」美國能源部的報告上這樣描述，「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。」

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」。

北京大學自動化學院教授王健全進一步分析了美國量子網際網路計劃的應用和發展路徑。從應用看，美國未來量子網際網路包括：傳感網(多個量子傳感器通過網絡互聯，例如分布式量子鍾、量子望遠鏡、量子圖像識別等)；可擴展量子計算(多個小型量子計算機通過網絡互聯)；量子保密通信(包括QKD、量子盲計算等)。同時美國的量子網際網路還提出了分階段的發展路徑：一是基於光纖網絡驗證量子安全協議(基於測量-製備的量子網絡，不一定利用糾纏，基於可信中繼，與京滬幹線類似)；二是城域糾纏分發(基於光交叉組網，實現小規模量子傳感網應用)；三是基於糾纏交換的城際量子通信(基於初步的量子存儲器)；四是州際量子糾纏分發(基於量子中繼)；五是構建跨領域的生態系統，實現從實驗室到商業運營。

目前世界各國正在開展新一輪的量子網際網路競賽，除了美國，歐洲也宣布了其相關的量子網際網路計劃。「美國的方案比較宏觀，強調利用網絡化量子設備實現經典技術無法實現的新功能。歐盟的最新方案有所細化，計劃未來三年將推動歐洲範圍的量子通信網絡建設，定位是完善和擴展現有數字基礎設施的安全應用，中長期是逐步實現全量子網絡。」趙勇表示，「從初級到終極，信息安全應用會貫穿量子網絡始終，量子密鑰分發也將隨網絡的升級而升級，貫穿始終。」

量子網際網路難在哪裡

美國在該報告中表示，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等共同參與。為什麼美國提出量子網際網路的計劃仍需要十年時間才能完成，而且需要如此多的機構參與，其中的難點到底在哪裡？

「理論和設備是量子網際網路發展的兩道坎。」王健全表示，「從理論的角度看，量子網際網路與現有網際網路所遵循的理論不同，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。」

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。

目前雖然在中國的推動下，國際電信聯盟(ITU-T)成立了量子信息網絡焦點組，國際網際網路標準組(IETF)也成立了量子網際網路研究組，但其所立項目大多也只停留在量子網際網路的概念和應用場景等基礎研究方面，因為目前全球還沒有相關產業鏈的支持，對於量子網際網路的實用化、標準化、產業化還無從做起。王健全進一步表示：「理論不成熟，標準空白，晶片、模組、器件、設備每個都是難題，所以美國宣布用10年建成還是比較樂觀。當然過程中也可能有大的理論和設備層面的突破，會加速進程。」

另一位量子領域的業內人士認為，作為最終目標的全量子網絡還有諸多極為困難的技術挑戰，特別是長時間、大容量、高效率的量子存儲和中繼，確定性的、高速率的糾纏製備等。實際上，這些技術的難度和大規模量子計算機是大致相當的。所以他表示，美國之所以需要10年時間，大概率是要做成全量子網絡的示範性原型。

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。

由於量子網際網路和網際網路基本原理不同，量子網際網路僅僅處於概念提出的起步階段，考慮到理論、標準、設備和網絡的成熟需要很長一段時間，所以兩個網絡之間必然是長期共存的。

建量子網際網路需要多少錢

目前世界各國在量子網際網路上的投入各不相同。歐洲的量子網際網路計劃沒有給出明確的資金數目，按照量子技術旗艦計劃，預計未來10年，其在地面量子通信投入約3.5億歐元，在天基量子通信投入約11億歐元，但究竟投入多少建成量子網際網路，沒有給出具體資金量。

2017年9月，俄羅斯國家開發銀行在訪問中國科大上海研究院時表示，計劃投資約50億元人民幣專項資金用於支持俄羅斯量子中心開展量子通信研究，並計劃借鑑京滬幹線經驗，在俄羅斯建設量子保密通信網絡基礎設施，先期將建設莫斯科到聖彼得堡的線路。

美國國家量子計劃法案於2018年12月正式籤署頒布，主要聚焦量子通信、量子計算機和超精密量子傳感器三大領域，當時的計劃是投資約13億美元，集合國家力量統一協調量子技術和產業發展，服務美國經濟和國家安全。而今年7月出臺的《藍圖》還沒有給出具體的資金數目。

「由於量子網際網路概念剛剛提出不久，晶片、設備及網絡單元還處於研發的起步階段，從原型研發到設備再到真正商用還有很長的路要走，中間也存在諸多的不確定性，現在提建成量子網際網路需要多少資金還為時過早，待有相關標準可依，相關網元設備成熟後，再來討論這個問題也不遲。」王健全表示。

中國是否需要這樣的量子網際網路呢？如果認可量子網際網路是未來的趨勢，那麼答案毫無疑問是肯定的。那麼如何既保持競爭中不落伍，同時又沒有太多的投入風險？王健全給出了這樣的建議，在研發上積極投入，重點部署下列研究：一是量子網際網路的網絡架構、組網技術、協議、接口等層面的研究；二是量子網元層面的積極研發，包括量子計算、傳感、存儲、中繼、終端等設備的研發；三是大力推進量子信息和傳統通信領域的交叉融合創新，從政策上推動更多的非物理研究者能夠參與到量子信息的研發中，使得量子信息走出小眾，從物理研究走向組網研究，走向應用研究，就會加速其進程。

「而在建網方面，不建議冒進。根據理論、標準、設備網元的成熟度靈活推進。在宏觀戰略上重視，在微觀戰術上要務實，要根據設備研發進展進行小範圍的試點，邊研究邊推進，從試點中找出設備和組網問題，反饋給設備和關鍵技術的研發，反過來再推進組網技術的進一步成熟。」王健全說。