美國的高調宣布意味着這場量子網際網路戰場愈發熱鬧了。
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作者 | 劉琳
剛剛，美國又提出了一項驚人的計劃。
據華盛頓郵報報道，美國政府計劃打造一個量子網際網路。目标是将與全球現有網絡一起運作的網際網路，利用量子力學定律更安全地共享資訊，并連接配接新一代計算機和傳感器。
如果一切按計劃進行，那麼将在十年内完成。
據悉，此次量子網際網路計劃的主要研發中心位于芝加哥，而這次計劃也被他們稱為“第二個網際網路”計劃。
芝加哥大學普利茲克分子工程學院教授、阿貢國家實驗室資深科學家大衛·奧沙洛姆(David Awschalom)稱，量子網際網路項目是美國量子研究計劃的支柱。
“這是一項新技術的誕生，它正引發一場全球性的競争。地球上每個大國都推出了量子計劃，因為情況越來越明朗，它會有很大的影響。”
除了美國，中國也在量子技術上投入巨資，該領域可能會改變資訊處理方式，并為主導該領域的國家帶來巨大的經濟和國家安全優勢。歐洲也在熱衷于進行這項研究。美國能源部及其 17 個國家實驗室将構成該項目的骨幹。
目前還不清楚這個項目的确切資金來源，美國能源部周四沒有宣布該項目所需的資金。
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量子網際網路構想早已有之
事實上，早在今年 2 月，美國白宮政府就發出了一份《美國量子網絡戰略構想》，提出美國将開辟量子網際網路。
這份檔案将量子網際網路描述為一張由量子計算機和其他量子裝置組成的龐大網絡，它将催化出許多新興技術，進而加速現有網際網路的發展，提高通信安全性，并使計算技術發生劇變。
“通過在量子網絡領域的前驅開拓，美國預備革新國家和金融安全、患者隐私、藥物發現以及新材料的設計和制造，同時增加我們對宇宙的科學認識。”
檔案認為，量子資訊技術仍處于早期階段，而其遠景取決于開創能夠可靠地連接配接量子裝置的基礎設施平台的能力，也取決于開發量子資訊科學在安全、傳感和計算模式等方面的應用的能力。在政府協調下齊頭并進，持續發力，量子網際網路的基礎才能就位。
檔案提出了兩個具體目标：
在未來 5 年中，美國的公司和實驗室将示範量子網絡的基礎科學和關鍵技術，包括量子互連、量子中繼器、量子存儲器、高通量量子信道和洲際天基糾纏分發。同時，将查明這些系統的潛在影響和改善應用，帶來商業、科學、衛生和國家安全方面的好處。 在未來 20 年裡，量子網際網路鍊路将利用網絡化量子裝置實作經典技術無法實作的新功能，同時促進對量子糾纏作用的了解。
而今天的報道中，美國則将實作這一目标的時間加速到了十年内，足見其打造量子網際網路的“野心”。
那麼，問題來了，打造一個國際量子網際網路當真有那麼輕松嗎？
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十年内打造量子網際網路，可能嗎？
首先，什麼是量子網際網路？
簡單來說即一張由量子計算機和其他量子裝置構成特殊網絡。
衆所周知，網際網路是用于傳遞、處理和儲存資訊的全球性系統。而量子網際網路則可以對量子資訊進行同樣的傳遞、處理和存儲，是通過量子比特和量子糾纏來實作的，但量子資訊最大的優點是完全防篡改的。
簡而言之，量子網際網路中量子資訊的傳輸是不可篡改和絕對安全的，可以避免現有網際網路中資訊洩露等問題，具有重要的戰略性。
此外，量子網際網路可以用來發送不可破解的資訊，提高 GPS 系統的精度，并支援基于雲的量子計算。二十多年來，由于很難在沒有損失的情況下通過遠距離發送量子信号，建立這樣一個量子網絡的夢想在很大程度上一直遙不可及。
其次，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參數？
根據其公布的 38 頁檔案，決定量子網際網路的關鍵組成部分主要有以下幾種：
量子限制探測器，超低損耗光通道，空對地連接配接，以及經典的網絡和網絡安全協定。
糾纏和超糾纏态源以及量子态的傳輸、控制和測量。
從光學和電信（電信）系統到量子計算機相關領域的量子源和信号轉換器，包括微波。
開發與光學或電信波長中基于光子的量子比特相容的量子存儲器緩沖器和小規模量子計算機。
使用量子中繼器的遠端糾纏分布，允許小型和大規模量子處理器之間基于糾纏的協定。
一般而言，目前可用的關鍵量子網絡元件仍然處于實驗室級準備狀态，尚未在完整的網絡配置中運作。是以，要向前邁進， 就必須克服關鍵挑戰，實作級聯操作和連接配接。
檔案中表示美國将使用量子中繼器來解決這一問題。
量子中繼器在傳輸過程中不會放大處于糾纏狀态的光子，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。
需要注意的是，不同于傳統網絡，量子網絡的本質是量子糾纏，存在于網絡的實體層，而傳統的網絡，因為共享狀态通常隻在更高層建立。在這種情況下，必須找到解決方案，以保證能夠支援糾纏分布和确定性傳送的網絡裝置保真度水準，以及能夠補償損失和允許操作糾錯的量子中繼器方案。
最後，從現階段各國的量子網際網路發展程度來看，中國在量子保密通信網的建設上走在世界前列，2016年，中科院院士潘建偉曾表示，中國計劃用 15 年左右時間，建構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。但中國尚未提出量子網際網路的戰略規劃。
除中國外，荷蘭和日本也是有力競争者之一。
2018 年 6 月，Hanson Lab 的研究員開發了一組新型智能通信協定，可根據需要産生量子糾纏并提供保護，QuTech 成功使兩塊量子晶片産生量子糾纏。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。
日本則在 2012 年計劃成立量子資訊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 年内投資 400 億日元，支援量子通信和量子資訊領域的研發。
無疑，随着美國的加入，這場量子網際網路的戰争也越來越熱鬧了。
參考資料：
https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/07/f76/QuantumWkshpRpt20FINAL_Nav_0.pdf
https://siliconangle.com/2020/07/24/u-s-officials-detail-plans-build-national-quantum-internet/
https://www.infosecurity-magazine.com/news/us-plans-quantum-internet/
https://www.leiphone.com/news/202002/jCerN16nsJImArfp.html