日前， 美國(guó)能源部發(fā)布了題為《建立全國(guó)量子網(wǎng) 引領(lǐng)通信新時(shí)代》 的報(bào)告， 提出10 年內(nèi)建成全國(guó)性量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍(lán)圖， 并希望借此確保美國(guó)處于全球量子競(jìng)賽前列， 引領(lǐng)通信新時(shí)代。 美國(guó)能源部方面稱(chēng)， 量子互聯(lián)網(wǎng)利用量子力學(xué)定律， 能比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更安全地傳輸信息， “幾乎不可破解”， 未來(lái)將對(duì)科學(xué)、 工業(yè)和國(guó)家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。 消息一出， 就引發(fā)了眾多疑問(wèn)： 量子互聯(lián)網(wǎng)究竟是什么？ 它將給世界和我們的日常生活帶來(lái)哪些影響？ 在發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)的路上， 會(huì)遭遇哪些“攔路虎”？

a） 信息無(wú)法被竊取復(fù)制， 安全系數(shù)最高

上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心（IQIT） 主任金賢敏解釋說(shuō)， 量子互聯(lián)網(wǎng)由大規(guī)模分布的量子節(jié)點(diǎn)和鏈接各個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子信道組成， 用于實(shí)現(xiàn)各類(lèi)量子增強(qiáng)的通信、 計(jì)算和計(jì)量等技術(shù)。 “一直以來(lái)， 實(shí)際可用的量子互聯(lián)網(wǎng)是量子信息科學(xué)領(lǐng)域追尋的目標(biāo)之一?！?金賢敏說(shuō)。

早在2018 年， 《科學(xué)》 雜志就曾發(fā)表文章《量子互聯(lián)網(wǎng)：發(fā)展愿景》， 其中描述了量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展藍(lán)圖。 文章稱(chēng)， 量子互聯(lián)網(wǎng)不是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)單替代， 而是為其加上“盾牌”的新型基礎(chǔ)設(shè)施。 中國(guó)量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、 中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉2019 年在接受媒體采訪時(shí)也提到了量子互聯(lián)網(wǎng)， 他說(shuō)： “眾所周知， 互聯(lián)網(wǎng)是用于傳遞、 處理和儲(chǔ)存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。 量子互聯(lián)網(wǎng)則可以對(duì)量子信息進(jìn)行同樣的傳遞、處理和存儲(chǔ)。 量子比特和量子糾纏（量子比特互相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)）將是量子互聯(lián)網(wǎng)的基本資源?！?美國(guó)能源部的報(bào)告中提到， 由于量子互聯(lián)網(wǎng)具有特殊的訪問(wèn)方式， 每一次訪問(wèn)都會(huì)留下不可磨滅的“痕跡”， 因此其被稱(chēng)為“最安全的互聯(lián)網(wǎng)”。

據(jù)潘建偉解釋?zhuān)?從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看， 量子互聯(lián)網(wǎng)的首要任務(wù)是以一種無(wú)條件安全的方式進(jìn)行全球性的密鑰共享， 如果將隨機(jī)產(chǎn)生的密碼編碼在光子的量子態(tài)上， 依據(jù)量子不可克隆定理， 一個(gè)未知的量子態(tài)不能夠被精確地復(fù)制， 一旦被測(cè)量就會(huì)被破壞。 因此， 一旦有人竊取并試圖自行讀取量子密鑰，就一定會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

據(jù)了解， 量子互聯(lián)網(wǎng)不僅可用來(lái)傳輸加密信息， 還能支持基于云的量子計(jì)算， 有望在多個(gè)領(lǐng)域大顯身手。 美國(guó)能源部的報(bào)告顯示， 其籌備建設(shè)的量子互聯(lián)網(wǎng)將首先應(yīng)用于銀行和醫(yī)療服務(wù)部門(mén)， 未來(lái)還有望在國(guó)家安全和飛機(jī)通信領(lǐng)域施展拳腳。報(bào)告中還提到， “最終， 手機(jī)內(nèi)使用量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能會(huì)對(duì)每個(gè)人的生活帶來(lái)廣泛影響”。 另外， 創(chuàng)建超級(jí)靈敏的量子傳感網(wǎng)絡(luò)還有助于更好地檢測(cè)和預(yù)測(cè)地震， 或者尋找地下的石油、 天然氣或者礦產(chǎn)。

據(jù)專(zhuān)家介紹， 量子互聯(lián)網(wǎng)是一步一步向前演進(jìn)的， 不斷把量子計(jì)算、 量子傳感和測(cè)量等各類(lèi)功能融入進(jìn)來(lái)， 最終的目標(biāo)是形成包括量子安全網(wǎng)絡(luò)、 分布式量子計(jì)算和量子傳感網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的“全量子網(wǎng)絡(luò)”。 美國(guó)能源部在報(bào)告中稱(chēng)， 人們正在形成一個(gè)共識(shí)——量子互聯(lián)網(wǎng)是21 世紀(jì)最重要的技術(shù)前沿之一。

b） 引發(fā)全球關(guān)注， 各國(guó)競(jìng)相布局

鑒于量子互聯(lián)網(wǎng)安全性高、 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的特點(diǎn)， 全球多個(gè)國(guó)家都在研發(fā)這種新型通信方式。 據(jù)悉， 2020 年2 月， 美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的科學(xué)家在芝加哥郊區(qū)成功建立了一個(gè)83.7 km （52 英里） 的糾纏光子“量子環(huán)”， 這是美國(guó)迄今最長(zhǎng)的陸基量子網(wǎng)絡(luò)之一。 該網(wǎng)絡(luò)很快將與能源部費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室連接， 構(gòu)成一個(gè)128.7 km （80 英里） 的三節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái)。此外， 石溪大學(xué)和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)手勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室， 已經(jīng)搭建了一個(gè)128.7 km （80 英里） 長(zhǎng)的量子網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)， 同時(shí)正在積極進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展工作。 量子互聯(lián)網(wǎng)也吸引了其他國(guó)家的關(guān)注。 荷蘭、 加拿大、 日本、 韓國(guó)和俄羅斯等國(guó)，以及歐盟也在加緊部署量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。 2016 年5 月， 歐盟就提出了“歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”， 總投資約10 億歐元， 主要目標(biāo)之一就是利用10 年時(shí)間建成量子互聯(lián)網(wǎng)。

此外， 據(jù)報(bào)道， 俄羅斯將利用俄羅斯鐵路公司的基礎(chǔ)設(shè)施打造量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)， 該平臺(tái)試驗(yàn)區(qū)將在2021 年啟動(dòng)， 金融機(jī)構(gòu)、 國(guó)家集團(tuán)、 生產(chǎn)企業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施可能成為首批用戶(hù)。

近年來(lái)， 我國(guó)也在大力發(fā)展量子通信技術(shù)， 并在量子通信領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就： 2017 年， 全長(zhǎng)2 000 余千米的世界首條量子保密通信骨干線路“京滬干線” 項(xiàng)目通過(guò)總技術(shù)驗(yàn)收； 2020 年6 月， 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團(tuán)隊(duì)利用全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”， 在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于糾纏的無(wú)中繼千公里級(jí)量子保密通信。 金賢敏認(rèn)為， 這些成就對(duì)于我國(guó)構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)具有重要意義， 同時(shí)也標(biāo)志著我國(guó)量子互聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展已經(jīng)處于國(guó)際先進(jìn)水平。

c） 走向?qū)嵱没?關(guān)鍵在中繼器

然而， 量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展之路并非一條坦途。 金賢敏指出：“對(duì)于量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的挑戰(zhàn)， 科學(xué)家們一直致力于解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題， 一是光子通過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸， 在傳播中的損耗會(huì)隨距離呈指數(shù)型增加； 二是光量子態(tài)的產(chǎn)生具有概率性。 這兩個(gè)問(wèn)題使得量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行效率很低?！?/p>

據(jù)了解， 量子互聯(lián)網(wǎng)需要量子通信、 量子精密測(cè)量和量子計(jì)算等領(lǐng)域全方位的突破。 金賢敏表示， 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看， 將真正的全量子互聯(lián)網(wǎng)推向?qū)嵱没年P(guān)鍵仍然在于量子中繼器。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， 處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)， 其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量）， 另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。 假設(shè)信息的接收方和發(fā)送方各有一個(gè)光量子， 它們?cè)俑髯耘沙鲆粋€(gè)與之糾纏的光量子作為“中介”， 讓兩個(gè)“中介” 光量子在中繼器糾纏起來(lái)， 那么兩個(gè)留下的光量子也會(huì)形成糾纏關(guān)系。 在信息通信領(lǐng)域中，量子中繼器是一個(gè)廣泛的概念， 它就像信息高速公路上的“加油站”， 主要通過(guò)糾纏交換、 糾纏純化和量子存儲(chǔ)等基本技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)的糾纏操縱， 幫助信息傳輸?shù)礁h(yuǎn)的距離， 從而突破量子通信距離的限制。

2020 年3 月， 哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員在《自然》 雜志發(fā)表了一項(xiàng)研究成果， 其中提到， 本質(zhì)上來(lái)講， 量子中繼器是一種小型的專(zhuān)用量子計(jì)算設(shè)備， 它必須能夠有效地捕獲和處理量子信息， 并將其存儲(chǔ)足夠長(zhǎng)的時(shí)間， 以將信息傳輸至數(shù)千公里之外。

金賢敏研究團(tuán)隊(duì)一直致力于量子中繼器走向?qū)嵱没年P(guān)鍵問(wèn)題研究， 并實(shí)現(xiàn)了一種混合架構(gòu)的、 可在室溫下運(yùn)行的寬帶量子存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)， 這對(duì)于量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。據(jù)介紹， 該成果已于2020 年上半年在《科學(xué)》 雜志子刊《科學(xué)進(jìn)展》 上發(fā)表。 金賢敏進(jìn)一步指出： “構(gòu)建可實(shí)際應(yīng)用的量子存儲(chǔ)器， 挑戰(zhàn)來(lái)自于需要同時(shí)滿(mǎn)足高存儲(chǔ)帶寬、 長(zhǎng)壽命、 高效率和低噪音等指標(biāo)， 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(yuǎn)的一步?！?/p>

在量子技術(shù)日趨成熟和接近商用的今天， 我國(guó)的量子技術(shù)研究不斷取得突破。 “未來(lái)， 我們期待充分挖掘基于實(shí)際可用的量子中繼器的量子互聯(lián)網(wǎng)， 能夠通過(guò)構(gòu)建更多節(jié)點(diǎn)和提升節(jié)點(diǎn)性能的方式， 使得量子互聯(lián)網(wǎng)具有完全可擴(kuò)展性和豐富的量子信息處理能力。 通過(guò)共同努力， 最終實(shí)現(xiàn)全球量子互聯(lián)網(wǎng)?！苯鹳t敏如是說(shuō)。