量子互聯網大戰！美國發布《戰略構想》文件，欲搶占領導地位

一直以來，美國政府都希望能在量子信息科學（QIS）領域發揮領導作用，從而釋放本國經濟增長、技術進步和國家安全的巨大潛力。

近日，白宮發布了一份由國家量子協調辦公室（NQCO）撰寫的文件《美國量子網絡戰略構想》（A Strategic Vision for America's Quantum Networks），提出美國將匯聚聯邦機構、學術界和業界領袖的科研力量，促進量子互聯網發展，確保量子信息科學惠及大眾。

美國將開辟量子互聯網

文件提到：

1969 年國防部高級研究計劃局（DARPA）演示了首個計算機網絡 ARPANET，推動了后來的互聯網誕生。那時候我們都沒想到，它會成為未來推動經濟增長、提高生活質量的最強引擎。

因此，美國聯邦政府希望如同當年一樣，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。

根據文件，美國將探索如何構建量子互聯網——一個由量子計算機和其他量子設備組成的龐大網絡，從而催生新技術、加速互聯網發展、提高通信安全性，并在計算方面取得巨大進步。同時，通過在量子網絡方面走在世界前列，美國將改革國家和金融安全、患者隱私、藥物發現以及新材料的設計和制造，同時提高人類對宇宙的科學認識。

具體來講，戰略構想中提出了兩個目標（原文見下圖）：

• 未來 5 年，美國企業、實驗室將展示實現量子網絡的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器、高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分布。同時，為保證商業、科學、衛生和國家安全利益，將查明這類系統的潛在影響和改進應用；

• 未來 20 年，量子互聯網鏈路將利用網絡化量子設備，實現經典技術無法實現的新功能，并增進對糾纏作用的理解。

同時，戰略構想也建議開展下列 6 個項目：

• 開發關鍵部件的技術和平臺，包括經典源、量子受限探測器、超低損耗互連、空對地連接、經典網絡和網絡安全協議以及規模成本；

• 將量子源和信號從光學和電信波段轉移到量子計算機相關波段（包括微波）；

• 產生糾纏和超糾纏態，傳輸、控制和測量量子態；

• 開發與基于光學或電信波長的光子基量子位兼容的量子存儲器和小規模量子計算機；

• 探索小規模和大規模量子處理器之間遠程糾纏的新算法和應用，包括量子糾錯、量子云計算協議和新的量子感測模態；

• 探索地面和天基糾纏分布技術。

美國量子信息科學領域動作頻頻

雷鋒網了解到，近年來美國在量子信息科學領域動作頻頻。

2018 年 6 月，白宮國家科技委員會（NSTC）成立量子信息科學子委員會，協調聯邦政府關于量子信息科學的研發活動。

2018 年 9 月，量子信息科學子委員會在白宮峰會上發布《國家量子信息科學戰略概覽》，提出 6 點建議，包括量子信息科學教育應從小學開始；同時，美國能源部宣布將成立多個國家級實驗室，并加大資金投入。

2018 年 10 月 26 日，美國初創公司 Quantum Xchange 表示，已接入沿美國東海岸運行的 500 英里光纖電纜，用以為美國創造首個州際、商用量子密鑰分發網絡——至此，美國第一個大型量子互聯網項目已初具雛形。

2018 年 12 月，美國總統 Donald Trump 簽署了《國家量子倡議法案》（NQIA），該法案提出，將實施為期 10 年的“國家量子倡議項目”，旨在通過增加聯邦投資與協調，加快量子信息科學的研發，確保美國在量子信息科學技術應用領域持續領先地位。

雷鋒網了解到，該法案的三大目標為——用量子技術開發新一代傳感器、制造量子計算機、建立全球量子通信系統。

而基于《國家量子倡議法案》，美國政府做出的舉措大致包括：

• 白宮成立國家量子協調辦公室，以便統一聯邦研發活動；

• 白宮成立國家量子倡議咨詢委員會，確保來自量子界的觀點為聯邦提供信息；

• 美國國家科學基金會（NSF）發布“量子躍遷挑戰研究所（QLCI）”計劃指南，探索基礎量子科學和技術；

• 美國能源部（DOE）為建立新的量子信息科學研究中心提供資金，能源部國家實驗室的研究人員與學術界、機構（國家標準和技術研究所、國防部、國家安全局、宇航局等）、企業一起推進研發。

值得一提的是，近日發布的戰略構想正是基于上述《國家量子倡議法案》，并由該法案的協調機構、國家量子協調辦公室（NQCO）和國家科學和技術理事會量子信息科學小組委員會（SCQIS）共同制定，反映了此前對這一領域的深入投入——2018-2019 年的信息響應請求以及聯邦機構近期舉辦的研討會。

此外，2020 年 2 月 10 日，Donald Trump 在 2021 年度的政府財政預算提案中，也大幅削減了主要科學機構的研發預算，希望將更多資金投入到人工智能和量子信息科學當中。因此，美國政府對量子信息科學發展的重視可見一斑。

各國加入量子互聯網競爭

1900 年，德國物理學家、量子力學之父普朗特（Max Planck）創立量子理論。而 100 多年后，量子互聯網（雷鋒網注：指一種基于量子力學原理建立起來的新型互聯網，可使絕對安全的網絡通信成為可能。由于對量子體的任何測量行為都是對量子體的一次修改，所以任何窺探量子信息的企圖都會留下馬腳。）方興未艾。

在中國，“量子之父”、中科院院士潘建偉的成績不少：

• 2016 年 11 月 5 日，潘建偉表示，中國計劃用 15 年左右構建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯網，即量子互聯網；

• 2017 年 7 月，潘建偉及其中國科學技術大學的團隊稱，他們打破了量子隱形傳態的記錄，將一個光子的量子態傳輸到距地面 1400公里的軌道衛星上的光子上；

• 2017 年 9 月，潘建偉團隊利用上述衛星向北京和維也納發射了光子，用來產生量子加密密鑰；

• 2020 年 1 月，潘建偉面對美國情報公司的污蔑，霸氣宣布：在光量子計算方面，我國已經做到了相當于 48 個量子比特的結果，預計 2020 年能夠實現 50 個光子相干操縱，也能夠達到所謂的“量子優越性”（谷歌稱之為“量子霸權”）；
  

• 2020 年 2 月，潘建偉、包小輝團隊在實驗室中實現了長距離的量子糾纏，兩種實驗方案分別實現了 22 公里和 50 公里的量子糾纏，創造了世界紀錄。

而實際上，荷蘭也是量子互聯網建設領域的一大玩家——2018 年 6 月，由荷蘭代爾夫特理工大學和荷蘭應用科學研究機構（TNO）共同運作的 Intel 研發合作伙伴、量子科學頂尖學術機構 QuTech 成功使兩塊量子芯片產生量子糾纏。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并提供保護。

基于此，當時不少人都認為荷蘭有望率先創建世界上首個量子互聯網。

綜合各國表現，可以看出白宮最新發布的《美國量子網絡戰略構想》無疑會使得全球量子互聯網競爭更加激烈。那么究竟誰會率先建成量子互聯網，我們拭目以待。

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