详解美国量子互联网蓝图：优先研究四个方向，十年五步走

多家美国媒体近日报道称，美国能源部（DOE）提出建立全国性量子互联网的战略蓝图，希望在10年内完成。该量子互联网利用量子力学定律，能比现有网络更安全地传输信息，“几乎无法被黑”。

据澎湃新闻此前报道，今年2月份，美国白宫网站就发布了一份《美国量子网络战略构想》，提出美国将开辟量子互联网，确保量子信息科学惠及大众。

事实上，美国并非首个提出“量子互联网”蓝图的国家。早在2017年，若干欧洲研究机构就成立了“量子互联网联盟”（QIA），计划近年在荷兰完成包含3-4个量子中继节点的链路演示，为未来的泛欧量子互联网勾勒蓝图。

业内专家表示，量子互联网可以理解为量子通信技术支撑的一种产生和使用量子资源的新型功能网络。它不是对现有互联网的替代，而是为互联网加上新功能的新型基础设施。“几乎无法被黑”的量子密码网络只是量子互联网的其中一部分功能，其终极阶段将是用量子隐形传态或量子纠缠交换技术作为链接，将用户、量子计算机、量子传感器等节点连为一体，产生、传输、使用量子资源。

正因如此，量子互联网对人类在原子尺度上精确操纵物质的能力提出了极高要求，很多关键技术瓶颈尚未突破。

那么，此次美国公布的战略蓝图打算如何解决这些问题？

澎湃新闻记者了解到，此次战略蓝图为美国能源部先进科学计算研究办公室2月份初召开的一次研讨会的成果报告，参与方包括美国能源部下属国家实验室、高校、产业界和相关政府部门。他们为创建首个全国性量子互联网设计线路图，“列出必须的研究纲要，细化工程和设计障碍，并建议从目前局限性的地方网络实验走向可行、安全的量子互联网。”

报告的核心信息包括两大部分：四大优先研究方向和五大实施节点。

四大优先研究方向

优先方向一：为量子互联网提供基础性积木

关键问题：量子互联网的关键积木是什么，以及它们需满足怎样的表现指标？

这里面具体涉及到开发关键部件的技术和平台，包括量子限制探测器、超低损耗互连、空对地连接、经典网络和网络安全协议；

产生纠缠和超纠缠态的产生，传输、控制和测量量子态；

将量子源和信号从光学和电信波段转移到量子计算机相关波段，包括微波；

开发与基于光学或电信波长光子的量子比特兼容的量子存储器和小规模量子计算机；

利用量子中继器实现远距离纠缠分发（地面和天基），探索小规模和大规模量子处理器之间长距离纠缠的新算法和应用。

优先方向二：整合多个量子网络设备

关键问题：如何克服将多个量子网络设备整合成高性能量子互联网部件的物理障碍？

这里涉及的技术包括用通过系统级工程统一现有组件的工作特性（带宽、波长、占空比）；

用高速率（GHz）量子纠缠源、量子存储缓冲器、探测器补偿级联操作损耗；

进一步开发关键量子网络组件，如高度、低损耗量子开关和多路复用技术。

优先方向三：为量子纠缠创建中继、开关和路线

关键问题：如何创建为全国性量子互联网服务的基础网络？

核心技术是利用基于量子纠缠交换原理的量子中继器，超越一对固定目的地之间的简单纠缠分发。

优先方向四：实现量子网络功能的纠错

关键问题：如何实现能容错的网络功能？

解决方案在于找支持纠缠分发和隐形传态的高保真网络设备，以及可以补充损耗、容许操作纠错的量子中继器方案。

五大节点

节点一：现有光纤网络上验证安全量子协议

这一步仅涉及到量子密钥分发，是量子网络的雏形演示。据澎湃新闻此前报道，隶属于美国能源部的橡树岭和洛斯阿拉莫斯两大国家实验室6月宣布通过在城市变电站中安置可信节点，实现电网中三个量子密钥分发（QKD）系统的中继。这可以视作节点一的初步完成案例。

节点二：校园或城市间纠缠分发（量子纠缠分发网络）

这一步相比起节点一，波动、损耗和错误容耐度更低，经典网络和量子网络实现初步整合。大芝加哥地区正在建设的伊利诺伊快线量子网络就是一个例子，站点包括西北大学、费米实验室和阿贡实验室。

节点三：运用纠缠交换实现城际量子通信（量子存储网络）

这一步需要用到初级的量子存储器和量子中继器。纽约长岛地区的石溪大学和布鲁克海文实验室计划将量子网络延伸到曼哈顿地区，建成后将是世界上第一个量子中继网络。

节点四：运用量子中继器实现州际量子纠缠分发

到这一步，经典网络和量子网络技术将相互融合。量子互联网并非独立存在。量子信息被编码在光子中，通过经典光纤传输。不过，由于量子信息不能像传统数字信息一样放大，短期内卫星可以作为中介“桥梁”，长期来看则需要高效、健壮的量子中继器。预计横跨大西洋的链路需要100余个中继器。

节点五：建立实验室、学术界和产业界之间的多方生态系统，从演示向运行过渡。

要点包括：使用全球网络公司的可用设施；

利用ESnet的光学同步技术和网络配置更高通信级别的复杂量子网络；

制定低成本从商业合作伙伴处购买（或租赁）光纤基础设施的方案；

与光纤供应商合作敲定光纤质量、地图、拓扑结构和损耗；

探索空间优化以设立光纤交换点的可行性；

在专业初创公司的协助下发展一批支持新型量子网络的“量子智能”劳动力；

与专业研究中心和其他就合作，建立可复制、可部署的量子通信硬件技术标准；

与美国空军研究实验室或美国航天局同期研发的空间光学和卫星网络进行协调；

推动大型通信公司采用第一代量子通信设备。