近日,美國《量子計算網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn),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(wǎng)絡(luò)安全防范法案》是保護(hù)公民免受未來網(wǎng)絡(luò)安全威脅的關(guān)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(lián)網(wǎng)
美國計劃打造一個量子互聯(lián)網(wǎng),利用量子力學(xué)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(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》中,美國就明確將開辟量子互聯(lián)網(wǎng),即一張由量子計算機和其他量子設(shè)備組成的龐大網(wǎng)絡(luò),它將催化出許多新興技術(shù),從而加速現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,提高通信安全性,并使計算技術(shù)發(fā)生劇變。隨后,美國公布了量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略藍(lán)圖,提出未來5年內(nèi),美國的公司和實驗室將論證實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù);未來20年內(nèi),量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路將利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備實現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實現(xiàn)的新功能。
美國能源部量子互聯(lián)網(wǎng)藍(lán)圖報告現(xiàn)網(wǎng)實驗計劃
在量子網(wǎng)絡(luò)立法方面,美國也非常重視。除了此次的《量子計算網(wǎng)絡(luò)安全防范法案》外,還在2021年提出《量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施法案》,要求推進(jìn)美國以量子為中心的基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和勞動力發(fā)展法案》,以提高美國在量子網(wǎng)絡(luò)方面的能力,并且將采取相關(guān)措施建立更全面的勞動力發(fā)展方案等。
在量子網(wǎng)絡(luò)實踐上,2020年阿貢國家實驗室和芝加哥大學(xué)的科學(xué)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(xué)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(wǎng)絡(luò)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的擴展等。
量子網(wǎng)絡(luò),下一個必爭之地
量子網(wǎng)絡(luò)正逐步成為量子科技領(lǐng)域科研和應(yīng)用探索的前沿?zé)狳c,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(wǎng)絡(luò)布局,為即將到來的量子網(wǎng)絡(luò)時代未雨綢繆。
量子網(wǎng)絡(luò),也被稱為量子信息網(wǎng)絡(luò)或量子互聯(lián)網(wǎng),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(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展的重要方向。
量子網(wǎng)絡(luò)基于量子通信技術(shù)產(chǎn)生、傳輸和使用量子態(tài)資源,實現(xiàn)量子計算機、量子傳感器等量子信息處理系統(tǒng)或節(jié)點之間的互聯(lián)和量子態(tài)信息傳輸,可進(jìn)一步提升量子信息傳輸和處理能力。量子網(wǎng)絡(luò)利用了量子力學(xué)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(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)中信息泄露等問題。
現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)影響和滲透到了社會中的各行各業(yè),實現(xiàn)了40多年前創(chuàng)建互聯(lián)網(wǎng)時無法想象的應(yīng)用。當(dāng)量子網(wǎng)絡(luò)逐步實現(xiàn)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(lǐng)域都將享受到量子網(wǎng)絡(luò)帶來的超強算力和安全性,出現(xiàn)更多顛覆想象的革命性應(yīng)用。
道阻且長,行則將至
量子網(wǎng)絡(luò)建立并不是一蹴而就,而是循序漸進(jìn),分步實施的。目前,全球多個團(tuán)隊/科學(xué)家對這一過程進(jìn)行了闡釋。
荷蘭代爾夫特理工大學(xué)團(tuán)隊將量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展分為六個階段,第一階段是可信中繼的網(wǎng)絡(luò),第二階段是制備測量網(wǎng)絡(luò),第三階段是糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò),第四階段是量子存儲網(wǎng)絡(luò),第五階段是容錯量子比特網(wǎng)絡(luò),第六階段是量子計算網(wǎng)絡(luò)。代爾夫特團(tuán)隊正在建設(shè)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(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)關(guān)鍵使能技術(shù)需求和預(yù)期應(yīng)用場景,量子網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)一般劃分為三代,第一代為基于量子疊加態(tài)的經(jīng)典密鑰分發(fā)(量子保密通信網(wǎng)絡(luò)),第二代為基于量子糾纏態(tài)的量子信息分發(fā)和中繼網(wǎng)絡(luò),第三代為基于量子計算資源的全真量子態(tài)傳輸網(wǎng)絡(luò)。第一代的量子網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行復(fù)雜邏輯處理,進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò)分布的能力。
在中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所發(fā)布的《量子信息網(wǎng)絡(luò)概念原理與發(fā)展前景初探》中,將量子網(wǎng)絡(luò)分為量子加密網(wǎng)絡(luò)、量子存儲網(wǎng)絡(luò)和量子計算網(wǎng)絡(luò)3個階段。量子加密網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)密鑰分發(fā)、安全識別和位置驗證等加密功能,典型應(yīng)用是已進(jìn)入實用化的QKD網(wǎng)絡(luò);量子存儲網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)和量子計量基線擴展等新型應(yīng)用;量子計算網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)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(wǎng)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(xiàn)量子糾纏協(xié)議組網(wǎng)等應(yīng)用場景。
量子網(wǎng)絡(luò)是未來的趨勢,其發(fā)展過程無論要經(jīng)過幾個階段,都不難看出,科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界都在期待基于量子計算資源的網(wǎng)絡(luò),并對此充滿憧憬。
我國:各方早有布局
在全球范圍內(nèi),我國量子通信處于領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、科學(xué)實驗、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)用。
在“十四五”規(guī)劃中,對量子通信、量子計算、量子測量領(lǐng)域的科技攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃布局,包括要在“量子信息等重大創(chuàng)新領(lǐng)域組建一批國家實驗室” “加強原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān),在量子信息城域、城際、自由空間量子通信技術(shù)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(shù)突破” “在量子信息等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域,組織實施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計劃,謀劃布局一批未來產(chǎn)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(lǐng)域基礎(chǔ)科研、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育等方面做出具體部署,提供政策引導(dǎo)與項目支持。除了政策支持外,我國學(xué)術(shù)界也在加快研發(fā)進(jìn)度,前瞻布局量子網(wǎng)絡(luò)。我國基于QKD的量子通信在設(shè)備商用化、實驗網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和示范應(yīng)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(xiàn),應(yīng)用探索初步開展。產(chǎn)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(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)奠定良好基礎(chǔ)具有重要意義。目前我國對量子網(wǎng)絡(luò)的研究仍處于初級階段,需要產(chǎn)學(xué)研用各方共同發(fā)力,聯(lián)合攻關(guān),打造我國量子網(wǎng)絡(luò)的核心競爭力。
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