近日,美國《量子計算網絡安全防范法案》通過了眾議院監(jiān)督和政府改革委員投票批準,并已提交眾議院全體會議審議。作為該法案的提出者之一,共和黨眾議員Nancy Mace表示,《量子計算網絡安全防范法案》是保護公民免受未來網絡安全威脅的關鍵一步,要采取必要措施,防止圖謀不軌者在量子計算時代竊取有價值的信息。目前法案已獲得了Google、IBM、PQSecure Technologies、QuSecure、Maybell Quantum和Quantinuum等科技公司的支持。
美國打造量子互聯網
美國計劃打造一個量子互聯網,利用量子力學定律更安全地共享信息,并連接新一代計算機和傳感器。
在2020年發(fā)布的《美國量子網絡戰(zhàn)略構想》中,美國就明確將開辟量子互聯網,即一張由量子計算機和其他量子設備組成的龐大網絡,它將催化出許多新興技術,從而加速現有互聯網的發(fā)展,提高通信安全性,并使計算技術發(fā)生劇變。隨后,美國公布了量子互聯網發(fā)展的戰(zhàn)略藍圖,提出未來5年內,美國的公司和實驗室將論證實現量子網絡的基礎科學和關鍵技術;未來20年內,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。
美國能源部量子互聯網藍圖報告現網實驗計劃
在量子網絡立法方面,美國也非常重視。除了此次的《量子計算網絡安全防范法案》外,還在2021年提出《量子網絡基礎設施法案》,要求推進美國以量子為中心的基礎設施的發(fā)展,包括量子計算、量子測量及量子通信;今年4月,提出了《量子網絡基礎設施和勞動力發(fā)展法案》,以提高美國在量子網絡方面的能力,并且將采取相關措施建立更全面的勞動力發(fā)展方案等。
在量子網絡實踐上,2020年阿貢國家實驗室和芝加哥大學的科學家們在芝加哥郊區(qū)52英里的“量子環(huán)”中糾纏光子 ;石溪大學和布魯克海文國家實驗室與斯伯克利國家實驗室合作,建立了一個80英里的量子網絡試驗平臺,同時正積極地在紐約州、橡樹嶺國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行網絡的擴展等。
量子網絡,下一個必爭之地
量子網絡正逐步成為量子科技領域科研和應用探索的前沿熱點,除了美國外,中國、日本、荷蘭、英國、俄羅斯等國家都加速了量子網絡布局,為即將到來的量子網絡時代未雨綢繆。
量子網絡,也被稱為量子信息網絡或量子互聯網,是長程量子通信和分布式量子計算的載體,是量子信息技術研究和應用發(fā)展的重要方向。
量子網絡基于量子通信技術產生、傳輸和使用量子態(tài)資源,實現量子計算機、量子傳感器等量子信息處理系統或節(jié)點之間的互聯和量子態(tài)信息傳輸,可進一步提升量子信息傳輸和處理能力。量子網絡利用了量子力學原理,量子信息的傳輸是不可篡改和絕對安全的,可以避免現有互聯網中信息泄露等問題。
現在互聯網的發(fā)展已經影響和滲透到了社會中的各行各業(yè),實現了40多年前創(chuàng)建互聯網時無法想象的應用。當量子網絡逐步實現的時候,將更徹底改變我們的生活和工作,國家安全、金融、健康等領域都將享受到量子網絡帶來的超強算力和安全性,出現更多顛覆想象的革命性應用。
道阻且長,行則將至
量子網絡建立并不是一蹴而就,而是循序漸進,分步實施的。目前,全球多個團隊/科學家對這一過程進行了闡釋。
荷蘭代爾夫特理工大學團隊將量子網絡發(fā)展分為六個階段,第一階段是可信中繼的網絡,第二階段是制備測量網絡,第三階段是糾纏分發(fā)網絡,第四階段是量子存儲網絡,第五階段是容錯量子比特網絡,第六階段是量子計算網絡。代爾夫特團隊正在建設一個連接代爾夫特、海牙、萊頓和阿姆斯特丹四個城市的量子網絡。
根據關鍵使能技術需求和預期應用場景,量子網絡的演進一般劃分為三代,第一代為基于量子疊加態(tài)的經典密鑰分發(fā)(量子保密通信網絡),第二代為基于量子糾纏態(tài)的量子信息分發(fā)和中繼網絡,第三代為基于量子計算資源的全真量子態(tài)傳輸網絡。第一代的量子網絡QKD基本不具備分布糾纏的能力,第二代具有簡單點對點的分布能力,第三代則具有把糾纏進行復雜邏輯處理,進行全網絡分布的能力。
在中國信息通信研究院技術與標準研究所發(fā)布的《量子信息網絡概念原理與發(fā)展前景初探》中,將量子網絡分為量子加密網絡、量子存儲網絡和量子計算網絡3個階段。量子加密網絡基于量子疊加態(tài)或糾纏態(tài)的概率性制備與測量,可以實現密鑰分發(fā)、安全識別和位置驗證等加密功能,典型應用是已進入實用化的QKD網絡;量子存儲網絡將具備確定性糾纏分發(fā)、量子態(tài)存儲和糾纏中繼等功能和能力,可支持盲量子計算、量子時頻同步組網和量子計量基線擴展等新型應用;量子計算網絡將進一步包含可容錯和糾錯的通用量子計算處理和大規(guī)模量子糾纏組網等功能和能力,可用于分布式量子計算提升量子態(tài)信息處理能力,以及實現量子糾纏協議組網等應用場景。
量子網絡是未來的趨勢,其發(fā)展過程無論要經過幾個階段,都不難看出,科學界和產業(yè)界都在期待基于量子計算資源的網絡,并對此充滿憧憬。
我國:各方早有布局
在全球范圍內,我國量子通信處于領先地位,量子計算也位列第一梯隊。雖然目前我國還沒有明確的量子網絡戰(zhàn)略或發(fā)展規(guī)劃,但近年來國家也高度重視和大力支持量子信息領域的基礎研究、科學實驗、網絡建設和示范應用。
在“十四五”規(guī)劃中,對量子通信、量子計算、量子測量領域的科技攻關和產業(yè)化發(fā)展進行規(guī)劃布局,包括要在“量子信息等重大創(chuàng)新領域組建一批國家實驗室” “加強原創(chuàng)性引領性科技攻關,在量子信息城域、城際、自由空間量子通信技術研發(fā),通用量子計算原型機和實用化量子模擬機研制,量子精密測量技術突破” “在量子信息等前沿科技和產業(yè)變革領域,組織實施未來產業(yè)孵化與加速計劃,謀劃布局一批未來產業(yè)”等。
2021 年以來,北京、安徽、廣東、上海、山東等省級行政區(qū)域的地方將量子科技納入“十四五”規(guī)劃,對量子信息領域基礎科研、應用探索和產業(yè)培育等方面做出具體部署,提供政策引導與項目支持。除了政策支持外,我國學術界也在加快研發(fā)進度,前瞻布局量子網絡。我國基于QKD的量子通信在設備商用化、實驗網絡建設和示范應用探索等方面發(fā)展較快,量子計算原理樣機科研成果不斷涌現,應用探索初步開展。產業(yè)界以啟科量子公司為代表,堅持量子計算和量子通信融合發(fā)展,提前布局,對于構建量子網絡奠定良好基礎具有重要意義。目前我國對量子網絡的研究仍處于初級階段,需要產學研用各方共同發(fā)力,聯合攻關,打造我國量子網絡的核心競爭力。
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