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美国计划在十年内建成“量子互联网”
网友【了不起】于【太平洋时间 2020-07-25 10:07:03】分享在【时代发展的印记】版块    3580    1    11

美国官员和科学家于近日公开表示,其目标是十年内打造与现有互联网并行的第二互联网,使用量子力学定律安全共享信息并连接新一代计算机和传感器。

芝加哥大学普利兹克大学分子工程学院教授,阿贡国家实验室资深科学家David Awschalom称量子互联网项目是美国量子研究计划的支柱。

据悉,美国能源部及其17个国家实验室将成为该项目的骨干。

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量子互联网:梦想很美好,现实很骨感

量子互联网想要成为现实,绝非那么简单,需要把传统互联网「脱胎换骨」。

跟经典网络的物理层不同,量子网络的物理层要负责量子信息的生成,定时和同步。数据链路层要负责运行物理层,从而尝试在可控量子节点之间产生纠缠。

网络层将负责在未直接连接的节点之间产生长距离纠缠,通过使用链路层进行纠缠交换以在相邻可控节点之间生成纠缠来实现。传输层不仅要远距精确传输量子比特,还要考虑跟经典网络的兼容。

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TCP / IP 5层参考模型与Quantum Internet网络体系结构

量子互联网的关键组成部分是什么,它们需要满足哪些性能?

从经典网络的基本结构出发,要构建量子互联网,首先要搭建起可靠的底层物理设备。

根据《美国量子网络战略远景》报告,下面这些量子技术及物理设备是实现量子互联网的先决条件:

量子探测器,超低损耗的光通道,空对地连接及经典的网络和网络安全协议。

纠缠态和超纠缠态以及量子态的传输,控制和测量。

用于量子源和传统源的信号转换器。

更可靠的量子存储缓冲器和小型量子计算机。

使用量子中继器进行长距离纠缠分布(地面和空间),允许在小规模和大规模量子处理器之间使用基于纠缠的协议。

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使用经典网络控制与配备量子硬件的节点进行交互的级联量子网络

有了这些量子网络设备,就能搭建量子互联网了吗?

其中最重要的就是克服各个源之间的连接性,以及各层之间的级联操作。

对于连接性,可以搭建一个系统级工程,来统一所有组件可操作的属性,比如带宽、波长、占空比等。

有传输就有损耗,传统的网络可以通过信号增强等手段来弥补,但是量子网络就不行了。有没有解决办法呢?答案就是采用一个量子中继器。

与经典中继器的操作不同,量子中继器在传输过程中不会放大处于纠缠状态的光子,而是通过消耗第二个纠缠对的资源,利用这个纠缠对来「传递」纠缠属性。

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虽然量子网络的传输性能大大超越了传统的网络传输,但是由于中继等原因也不可避免发生错误。

我们知道,量子网络的根本是量子纠缠,纠缠对固有地存在于网络的物理层中。而在经典网络中,共享状态通常是在更高的层建立。在这种情况下,必须要保证纠缠分布及量子中继器等网络设备是高保真的。

当然量子互联网要解决的问题远不止这些,需要信息安全、计算机科学、应用物理等领域的技术高度配合,但它的前景无疑是光明的,只是需要分步去实现。

量子互联网是「无法攻破」的吗?

你如果制备了一对总自旋为0的纠缠态电子,一个放在北京,一个放在广州,观测到北京的电子自旋向下,那广州的电子就不用测了,肯定是自旋向上的,量子互联网就是利用这种纠缠进行信息传输的。

「自古以来,人类对于通信安全的追求从未停止。但是随着数学和算法的不断发展,基于计算复杂性传统加密技术不断受到挑战:1999年,传统加密算法RSA512被破解;2009年,RSA768被破解;目前尚未被破解的RSA1024,也被认为迟早会被破解」。

中科院院士潘建伟表示,利用「量子不可克隆定理,量子不可分割」的特性,在遥远两地的用户,可共享无条件安全的密钥,利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密,保证通信安全。这也是目前已知唯一的不可窃听、不可破译的分发方式。

理论上,量子互联网在传输过程是安全的。但如果分发端和用户端被入侵,私钥被窃取仍会导致信息泄露。

量子互联网竞赛方兴未艾,未来谁会占领科技高地?

1900年,德国物理学家「量子力学之父」Max Planck创立了量子理论。而100多年后,量子互联网络通信成为了可能。

互联网的问世极大地改变着人们的生产和生活方式,而量子互联网将会加速现有互联网的发展,提高通信安全性,并使计算技术发生剧变。为了抢占未来的科技高地,全球各国都将不遗余力大力发展量子互联网。

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美国

一直以来,美国政府都希望在推动早期量子信息科学研究、引导国家研发活动时发挥至关重要的作用,从而释放本国经济增长和技术进步的巨大潜力。

自2018年开始,特朗普政府在量子信息科学方面的动作不断。白宫国家科技委员会(NSTC)在2018年6月成立了量子信息科学子委员会,协调联邦政府关于量子信息科学的研发活动。

同时,美国能源部宣布将成立多个国家级实验室,投入2.18亿美元到85个量子技术研究项目,并在未来五年内,每年为每个实验室拨款2500万美元。

同年10月,美国一家创业公司Quantum Xchange表示,它已被允许接入沿美国东海岸运行的 500 英里(805公里)光纤电缆,用以为美国创造该国的首个州际、商用量子密钥分发网络。至此,美国第一个大型量子互联网项目已初具雏形。

此外,今年2月,特朗普政府在2021 年度的政府财政预算提案中提到,希望将更多资金投入到人工智能和量子信息科学当中。可见,美国政府对量子信息科学发展的重视。

中国

虽然量子通信领域仍处于发展初期,但是中国在量子通信领域已占据领先地位,有望和美国在量子计算领域一较高下。

早在2016年,中科院院士潘建伟曾表示,「中国计划用 15 年左右时间,构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网,即量子互联网。」

中国一直以来尚未提出量子互联网战略,但在去年年底国务院发布的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确表示,「加快量子通信产业发展,统筹布局和规划建设量子保密通信干线网,实现与国家广域量子保密通信骨干网络无缝对接,开展量子通信应用试点。」

时至今日,中国的量子互联网建设取得了令人瞩目的成就。 而在中国,「中国量子之父」潘建伟院士所做的成绩最为突出。

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6月15日,潘建伟院士团队再次获得新的科研突破,利用全球首颗量子科学实验卫星「墨子号」实现了无中继千公里级保密通信。

今年2月,潘建伟院士团队演示了50公里远的量子存储器纠缠,刷新世界纪录,这为解决大规模量子互联网的关键技术问题提供了思路。早在2005年,潘建伟团队就在合肥大蜀山实现了13公里的量子纠缠分发。2017年,该团队利用「墨子号」创下了世界量子纠缠分发距离的纪录,达到1200千米。

中国科大与清华大学合作成功在3月份合作分别实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发(TF-QKD)和相位匹配量子密钥分发(PM-QKD)。

荷兰

实际上,荷兰也是量子互联网建设领域的一大玩家,它是欧洲量子互联网建设中的核心成员。

QuTech 是一家研究量子科学的顶尖学术机构,由荷兰代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究机构(TNO)共同运作,同时还是英特尔公司的研发合作伙伴。

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2018年6月,Hanson Lab的研究员开发了一组新型智能通信协议,可根据需要产生量子纠缠并提供保护,QuTech 成功使两块量子芯片产生量子纠缠。于此,当时不少人都认为荷兰有望率先建成全球首个量子互联网。

日本

日本早在2012年就计划成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构,未来 10 年内投资400亿日元,支持量子通信和量子信息领域的研发。

年初,日本东芝公司和日本东北大学的研究人员用量子保密通信技术在短时间内传输了多达数百吉字节的人类基因组测序数据,据称这是全球首次用量子保密通信技术如此短时传输大量数据。

当前,中国、美国、欧洲和日本等多个国家都积极地参与量子互联网的建设,那么究竟谁会率先建成量子互联网,让我们拭目以待。

参考链接:

https://www.washingtonpost.com/technology/2020/07/23/us-plan-quantum-internet/

https://www.guancha.cn/PanJianWei/2017_09_19_427685.shtml

出处:头条号 @新智元

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