“高精尖”的量子互联网与我们的生活有什么样的关系?

李佳师 发表于 2020-08-11 11:34:07 收藏 已收藏
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“高精尖”的量子互联网与我们的生活有什么样的关系?

李佳师 发表于 2020-08-11 11:34:07
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近日,美国能源部在其量子研究大本营芝加哥发布了一份报告,公布了《美国量子互联网发展战略蓝图》(简称《蓝图》),透露美国量子网络的研究已从小规模实验转向全国性量子互联网设施建设,预计用10年时间建成。《蓝图》提出要确保美国在全球量子竞赛中处于前列,阐述了美国量子互联网需要完成的基本研究内容以及工程和设计上的瓶颈,并设定了近期的目标。量子互联网和今天的互联网有什么区别,为什么需要10年才能建成,其中有哪些难点;美国量子互联网与中国已经建成的量子通信京沪干线有关联吗;量子互联网大概得需要多少钱才能够建成?

量子互联网到底是什么

究竟什么是量子互联网?中国工程院院士潘建伟认为,量子互联网由可以处理和储存量子信息的节点与传递量子信息的信道组成。

“当前的互联网传递、处理、储存的是经典信息,而量子互联网传递、处理、存储的是量子信息。”国盾量子公司总裁赵勇接受媒体记者采访时给出量子互联网与现在互联网的区别。

虽然量子互联网与现有互联网根本目的都是信息的运算、存储和传递,“但因为携带信息的基本单元,运算、存储和传送规则的不同,带来的整体网络架构、网络协议、设备单元、中继和终端等也会有根本性的变革。”北京科技大学自动化学院教授王健全在接受《中国电子报》采访时表示。

而从老百姓的视角来看,这样“高精尖”的量子互联网究竟与我们的生活有什么样的关系?我们已经有了互联网,为什么世界各国对于量子互联网还如此“痴迷”?

“高精尖”的量子互联网与我们的生活有什么样的关系?

就像每一次科学进步就为我们打开一个新世界一样,量子互联网的到来同样会给我们创造一个更美丽的新世界。用潘建伟的话说:“互联网的发明将人类带入信息时代,量子互联网则将提供另一个能够真正改变世界的机会。”简而言之,科学家们希望利用量子的叠加性、纠缠性等一系列特性,来构建一个几乎无法破解的高速网络。

“早期该网络服务的客户可能是银行、医疗服务、国家安全以及飞机通信。最终,量子网络技术在手机中的应用可能会对全世界每一个人的生活产生广泛影响。”美国能源部的报告上这样描述,“如果网络可以进行组合和扩展,那么社会可能就处在数据通信突破的风口浪尖。最后,创建超级灵敏的量子传感网络可以让工程师能够更好地检测和预测地震,或者寻找地下的石油、天然气或者矿产。”

以量子传感器为例,相比较于传统的传感器,量子传感器更敏感、更精准,能够完成很多看起来不可能完成的任务。比如对于阿尔茨海默症,量子磁力仪可以成本更低、更灵敏地检测到早期病症;比如癌症,一种名为微波断层成像的技术已应用于乳腺癌的早期检测多年,而量子传感器则有助于提高这种技术的灵敏度与显示分辨率,而且其成像不会对人体造成电离辐射;比如自动驾驶,基于冷原子的量子传感器,导航系统不仅可以将位置信息精确到厘米,还具备在水下、地下和建筑群中等导航卫星触及不到的地方工作的能力。而有了量子传感网络,就可将量子传感器的这些能力更高效的利用,普惠大众,就像今天的云计算一样。

量子互联网是一步一步向前演进的,不断把量子计算、量子传感、测量等各类功能融入进来,最终的目标是形成包括量子安全网络、分布式量子计算和量子传感网络在内的“全量子网络”。

北京科技大学自动化学院教授王健全进一步分析了美国量子互联网计划的应用和发展路径。从应用看,美国未来量子互联网包括:传感网(多个量子传感器通过网络互联,例如分布式量子钟、量子望远镜、量子图像识别等);可扩展量子计算(多个小型量子计算机通过网络互联);量子保密通信(包括QKD、量子盲计算等)。同时美国的量子互联网还提出了分阶段的发展路径:一是基于光纤网络验证量子安全协议(基于测量-制备的量子网络,不一定利用纠缠,基于可信中继,与京沪干线类似);二是城域纠缠分发(基于光交叉组网,实现小规模量子传感网应用);三是基于纠缠交换的城际量子通信(基于初步的量子存储器);四是州际量子纠缠分发(基于量子中继);五是构建跨领域的生态系统,实现从实验室到商业运营。

目前世界各国正在开展新一轮的量子互联网竞赛,除了美国,欧洲也宣布了其相关的量子互联网计划。“美国的方案比较宏观,强调利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能。欧盟的最新方案有所细化,计划未来三年将推动欧洲范围的量子通信网络建设,定位是完善和扩展现有数字基础设施的安全应用,中长期是逐步实现全量子网络。”赵勇表示,“从初级到终极,信息安全应用会贯穿量子网络始终,量子密钥分发也将随网络的升级而升级,贯穿始终。”

量子互联网难在哪里

美国在该报告中表示,要创建一个成熟的量子互联网原型,需要多方的密切协调,包括能源部、国家科学基金委、国防部、国家标准与技术研究所、国家安全局、NASA等联邦机构,以及国家实验室、学术研究所和工业界等共同参与。为什么美国提出量子互联网的计划仍需要十年时间才能完成,而且需要如此多的机构参与,其中的难点到底在哪里?

“理论和设备是量子互联网发展的两道坎。”王健全表示,“从理论的角度看,量子互联网与现有互联网所遵循的理论不同,现有的互联网遵循的是基本的通信理论,如香农信息论、排队论、奈奎斯特抽样定理等;而量子互联网遵循的是量子力学,是量子理论和信息学科的交叉融合理论。但目前量子系统理论还未完全建立。”

目前仅有的相对成熟的理论还局限于量子密钥分发(QKD)协议,如BB84、GG02、TF等,仅能够实现密钥的安全分发;对于基于纠缠分发、量子中继等新技术,有望连接分布式量子计算机、突破经典通信容量极限的“量子互联网”,其理论基础、网络架构、传输协议、接口协议等均处于空白。

从设备的角度看,基于量子纠缠分发、存储、传送、计算、传感的系列设备还不成熟,或者说构建量子网络单元的系列设备研究还处于初级阶段,相应的标准就更是缺乏。

目前虽然在中国的推动下,国际电信联盟(ITU-T)成立了量子信息网络焦点组,国际互联网标准组(IETF)也成立了量子互联网研究组,但其所立项目大多也只停留在量子互联网的概念和应用场景等基础研究方面,因为目前全球还没有相关产业链的支持,对于量子互联网的实用化、标准化、产业化还无从做起。王健全进一步表示:“理论不成熟,标准空白,芯片、模组、器件、设备每个都是难题,所以美国宣布用10年建成还是比较乐观。当然过程中也可能有大的理论和设备层面的突破,会加速进程。”

另一位量子领域的业内人士认为,作为最终目标的全量子网络还有诸多极为困难的技术挑战,特别是长时间、大容量、高效率的量子存储和中继,确定性的、高速率的纠缠制备等。实际上,这些技术的难度和大规模量子计算机是大致相当的。所以他表示,美国之所以需要10年时间,大概率是要做成全量子网络的示范性原型。

此前,《Science》的文章《Quantum internet:A vision for the road ahead》认为,量子互联网其功能发展由近及远可分为六个阶段:第一阶段是可信中继的网络;第二阶段是制备测量网络;第三阶段是纠缠分发网络;第四阶段是量子存储网络;第五阶段是容错量子比特网络;第六阶段是量子计算网络。《Science》文章中提到,现今的量子互联网处于第二阶段,代表性的技术是基于可信中继的量子密钥分发网络,其能够带来更加安全的网络通信。

由于量子互联网和互联网基本原理不同,量子互联网仅仅处于概念提出的起步阶段,考虑到理论、标准、设备和网络的成熟需要很长一段时间,所以两个网络之间必然是长期共存的。

建量子互联网需要多少钱

目前世界各国在量子互联网上的投入各不相同。欧洲的量子互联网计划没有给出明确的资金数目,按照量子技术旗舰计划,预计未来10年,其在地面量子通信投入约3.5亿欧元,在天基量子通信投入约11亿欧元,但究竟投入多少建成量子互联网,没有给出具体资金量。

2017年9月,俄罗斯国家开发银行在访问中国科大上海研究院时表示,计划投资约50亿元人民币专项资金用于支持俄罗斯量子中心开展量子通信研究,并计划借鉴京沪干线经验,在俄罗斯建设量子保密通信网络基础设施,先期将建设莫斯科到圣彼得堡的线路。

美国国家量子计划法案于2018年12月正式签署颁布,主要聚焦量子通信、量子计算机和超精密量子传感器三大领域,当时的计划是投资约13亿美元,集合国家力量统一协调量子技术和产业发展,服务美国经济和国家安全。而今年7月出台的《蓝图》还没有给出具体的资金数目。

“由于量子互联网概念刚刚提出不久,芯片、设备及网络单元还处于研发的起步阶段,从原型研发到设备再到真正商用还有很长的路要走,中间也存在诸多的不确定性,现在提建成量子互联网需要多少资金还为时过早,待有相关标准可依,相关网元设备成熟后,再来讨论这个问题也不迟。”王健全表示。

中国是否需要这样的量子互联网呢?如果认可量子互联网是未来的趋势,那么答案毫无疑问是肯定的。那么如何既保持竞争中不落伍,同时又没有太多的投入风险?王健全给出了这样的建议,在研发上积极投入,重点部署下列研究:一是量子互联网络的网络架构、组网技术、协议、接口等层面的研究;二是量子网元层面的积极研发,包括量子计算、传感、存储、中继、终端等设备的研发;三是大力推进量子信息和传统通信领域的交叉融合创新,从政策上推动更多的非物理研究者能够参与到量子信息的研发中,使得量子信息走出小众,从物理研究走向组网研究,走向应用研究,就会加速其进程。

“而在建网方面,不建议冒进。根据理论、标准、设备网元的成熟度灵活推进。在宏观战略上重视,在微观战术上要务实,要根据设备研发进展进行小范围的试点,边研究边推进,从试点中找出设备和组网问题,反馈给设备和关键技术的研发,反过来再推进组网技术的进一步成熟。”王健全说。
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