7月23日，美国能源部公布了一项致力于打造量子互联网的计划，目标是十年内建成与现有互联网并行的第二互联网——量子互联网。量子互联网是一种基于量子力学原理建立起来的新型互联网。芝加哥大学普利茨克分子工程学院教授、阿贡国家实验室高级科学家大卫·奥沙洛姆称互联网项目是美国量子研究计划的主导者。美国能源部及其17个国家实验室将成为该项目的骨干。该计划是能源部今年2月5日-6日举行的“量子互联网蓝图研讨会”的成果。研讨会确定了未来量子科学应用的领域、优先研究方向和实现量子互联网的主要里程碑。
一、量子信息未来的科学应用领域
目前，许多科学家都意识到构建和扩展量子保护和增强通信网络是21世纪最重要的前沿技术之一。国际研究机构计划在未来的10年内构建全球首个量子互联网（全球量子网络原型系统）。
未来量子信息的科学应用领域主要有：
·传感器网络。量子时钟网络是一个被普遍考虑的应用，它创造了一个可以显著提高某些现象测量精度的网络，比如引力波。量子望远镜网络也可以用来锐化和增强聚集图像。同时，量子计量学可以实现更精确的成像技术，如显微镜、光学和电磁成像。
·升级量子计算。量子网络可以用来连接量子计算系统，提供传统系统和量子系统之间的过渡。分布式量子计算可以通过量子网络将许多更小的量子计算机连接起来。由此产生的分布式量子计算系统可以提供当前单个量子计算机无法实现的计算能力。
·安全的量子通信。量子互联网提供终极安全通信的能力将是一个核心应用。通过量子信道进行的信息交换的量子密钥分配是当前量子安全通信的主要研究热点。这些解决方案的早期采用者将出现在国家安全、银行和能源输送基础设施等领域。
二、优先研究方向
设计一个能够执行上述任务的量子互联网原型系统需要开发一个量子版本的网络栈。与TCP/IP网络结构类似，最底层为物理层，包括量子硬件设备和光纤等，负责量子信息的生成、排序和同步。数据链路层在物理层上运行，用来生成可控量子节点之间的纠缠。网络层负责为不直接连接的节点之间生成长距离纠缠。传输层负责传输量子比特。应用层的应用可以同时使用传统网络和量子网络的一些能力。
TCP/IP5层架构模型与量子互联网架构
优先方向1：构建量子互联网的基础
当前量子网络实验依赖的设备功能和性能都很有限。要创建大范围、可运行的量子网络，就需要更多功能强大的基础设备。这些设备要满足可靠性、可扩展性和可维护性。关键网络设备包括可以高效处理光接口和卫星-光纤连接的量子内存；高速率、低损耗的量子交换机；复用技术；量子源和改进源的传感器等。
优先方向2：多量子网络设备融合
目前的关键量子物理组件仍处于实验室级阶段，还无法在全网络配置中运行。在实现级联操作和连接上要克服一些关键的挑战：
·通过系统级工程统一现有的操作性能融合现有组件，比如带宽、波长等；
·为补偿级联操作损失实现GHZ量子纠缠源、量子内存缓存和检测器；
·进一步开发关键量子物理组件，比如高速率、低损耗的量子交换器和多分复用技术。
优先方向3：为量子纠缠创建中继、交换和路由
多跳网络需要增强和重复信号的方法，还需要选择通过网络的路径。传统网络中的物理和软件方案并不适用于量子网络。面临的挑战包括不同形式的量子纠缠生成、交换，多用户的净化协议，以及传统网络和量子网络融合和协同的控制和操作。
路由是网络的最基本功能。多跳网络需要选择通过网络的路径。基于纠缠的量子网络的首个原型系统并没有使用量子内存和中继器。而是使用SDN（软件定义网络）技术来执行传统的波长路由和光纤网络中的分配来建立量子节点之间以及量子节点与纠缠光子源（EPS）之间的量子路径。
光交换机需要动态编程来建立多个量子路径。这些简单的拓扑为多用户建立纠缠分发和量子传输协议。在同一光纤传输系统中与传统网络共存，这对分享相同的DWDM网络组件是非常重要的。
要在固定的目标对之间进行纠缠分发，就需要使用量子中继器扩展纠缠对的分发距离。与经典中继器的操作不同，量子中继器在光子传输时不会放大处于纠缠态的光子。相反，量子中继器可以通过消耗第二个纠缠对的资源，在额外的距离间隔上“跳跃”纠缠属性。实现这一点所需的创新是纠缠交换的量子过程。
增加传输的距离的潜在方法是加入量子中继器以及加入量子内存。一跳量子中继器原型系统需要4个量子内存。其他实现量子中继器的分发包括依赖光量子处理方法和基于原子集成的方法。
优先方向4：量子网络功能的错误纠正
量子网络的一个根本区别来自于这样一个事实:纠缠的长距离生成是一项基本的网络功能，本质上存在于网络的物理层。这不同于传统网络，在传统网络中，共享状态通常只建立在较高层。在这种情况下，必须找到解决方案，以保证网络设备的保真度水平能够支持纠缠分布和确定性传送，以及能够补偿损耗和允许操作纠错的量子中继器方案。
当能够进行错误纠正的设备和量子中继器实现时，量子通信网络发展的最后一步就完成了。量子网络支持所有需要分发量子计算协议和量子传感器应用，包括多内存计算机架构和应用。实现这样的量子网络需要大量量子网络技术的进步，包括高重复速率的量子链路、支持纠缠分发和确定性隐性传输的准确度等。生成多方纠缠的能力对感知应用来说也是非常必要的。
三、实现量子互联网蓝图的里程碑
下面介绍一些现有的和近期的技术以及量子网络测试床，以及构建量子互联网的路线图。
注：里程碑是根据复杂度来排序的，后一阶段包含了之前阶段的所有功能。
里程碑1：基于光纤网络的安全量子协议验证
准备和评估量子网络。在量子网络原型中，终端用户接收和测试量子状态，但纠缠并不是必须参与的。这一阶段网络中的应用，包括非可信节点之间对高时序波动、量子位损失和错误有高容忍度地进行交换。用户可以验证密码，2个终端用户可以分享只有对方知道的私钥。实现量子网络阶段的应用的要求包括：
·端对端量子功能的实现；
·传输和评估；
·量子比特可以马上进行评估来生成相关性。
相关的例子有OakRidge和LosAlamos国家实验室使用量子密码系统、通过可信节点连接的网络。应用领域包括通过安全通信实现对关键基础设施的保护。
里程碑2：校园内和城市间的纠缠分发
纠缠分发网络。在这种量子网站中，任意2个终端用户可以获取纠缠的状态。网络通过设备独立的协议实现提供了一些能力，比如设备独立的量子密钥分发和两方密码学。这一阶段对波动、损失和错误的容忍度要低于里程碑1。传统网络和量子网络开始初步融合。比如，Illinois-ExpressQuantumNetwork（IEQNET）就融合了多个位于佐治亚不同区域的站点。每个站点有1个或多个量子节点，可以进行量子通信和评估。
里程碑3：使用纠缠交换实现城市间的量子通信
量子内存网络。在这一阶段，任意两个终端用户可以获取和保存纠缠量子比特，以及传送量子信息到对方。终端用户可以根据接收到的量子比特进行评估和操作。最小的内存存储需求是根据传统通信所需的时间来确定的。这一量子网络阶段允许一定范围的云量子计算，也就是说节点可以准备和评估单个量子比特来连接到远程的量子计算服务器。BrookhavenLab–SBU–ESnet合作在年4月在美国实现了最长距离20km的纠缠分发的实验。下一步该团队计划将现有的量子网络与纽约市的ManhattanLanding(MANLAN)连接。
里程碑4：使用量子中继器实现量子纠缠分发
融合传统和量子网络技术。成功融合量子中继器和大陆范围内（长距离）的量子错误纠正通信使得量子互联网的创建成为了可能。下图是可扩展网络的一种实现任意位置2个用户纠缠对分发的方法。所有的网络都需要管理层、控制层和数据层。在量子互联网原型中，控制功能可以融入在量子数据层与网络硬件动态交互的覆盖网络中。控制层可以通过SDN架构实现。
当前主流的量子网络架构设计是跳-跳（多跳）设计，架构中量子通信设备的邻居对可以进行纠缠交换来传播通信信道。量子互联网还需要大量新的协议。量子互联网需要大量的通信协议和管理策略。对这些协议和控制策略的研究也是非常必要的。
里程碑5：构建实验室、学术界、产业界多方参与的生态系统来实现证明到可操作的基础设施的过渡
为实现量子通信基础设施并实现量子互联网的原型，需要联邦机构、学术界和产业界的协作。以下量子互联网原型开发中的关键点可以受益于多方协作的生态：
·使用当前ESnet光同步技术和网络来配置复杂量子网络的高层通信；
·以更低的成本从商业合作方处购买或租用光基础设施；
·与光纤提供商协作确定大型光纤网络的光纤质量、分布、拓扑和损耗等；
·为可扩展和部署的量子通信硬件创建技术标准；
·与同步开发的空间光网络和卫星网络协同发展；
·促进第一代量子通信在大公司的使用。
转自丨学术plus
译者丨张涛
研究所简介
国际技术经济研究所（IITE）成立于年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大*策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方