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编译：中国科学技术信息研究所 袁 珩
审校：中国科学技术信息研究所 程如烟
2020年7月，美国能源部发布《从长距离量子纠缠到构建全国量子网络》报告，确定了打造国家量子互联网的主要应用领域和四大优先研究方向，并概述了五个必须实现的关键里程碑。美国计划在未来十年，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。
量子信息科学关注对量子系统的研究、控制和操纵，目标是实现超越经典世界极限的信息感知、信息处理和信息通信。近五年来，量子信息科学取得了巨大进展，为该领域研究点燃了新的曙光。量子网络及其对安全通信的重要性正吸引越来越多科学、产业和国家安全领域的关注，构建并扩展量子保护和增强型通信网络被视为21世纪最重要的技术前沿之一。通用量子计算机的实现还需要很长时间，研究界认为量子互联网可能更易实现。
2020年2月，美国能源部科学办公室举办了量子互联网蓝图研讨会，来自美国能源部国家实验室、大学、产业界和其他对量子网络感兴趣的美国机构的代表出席会议。根据研讨会成果，美国能源部于2020年7月发布报告，确定了建设第一个全国性量子互联网的潜在路线图，包括主要应用领域、四大优先研究方向和五个关键里程碑。
应用领域
传感器网络。量子时钟网络可以创建一个可以显著提高某些现象（如引力波）测量精度的网络。量子望远镜网络可以锐化和增强聚合图像。量子计量可以提高显微镜、光学和电磁等成像技术的精确性。
提升量子计算能力。量子网络可用于连接到量子计算系统，为经典系统与量子系统之间提供“过渡”。分布式量子计算通过量子网络连接许多小型量子计算机，由此产生的分布式量子计算系统可提供当前单个量子计算机无法实现的计算能力。
安全量子通信。量子互联网提供终极安全通信的能力将成为核心应用。当前，量子密钥分发是安全量子通信的研究重点，但通过量子信道进行信息交换，并且具备检测任何拦截的能力，才是安全通信的终极目标。国家安全、银行和能源输送基础设施等领域可能最早采用这种解决方案，其他应用领域可能包括医疗服务、政府服务安全（如选举）和博弈行业。盲量子计算是一种基于安全通信的服务，可在云环境中将受保护的任务委托给量子计算机。
二
优先研究方向
为设计出能够执行上述任务的量子互联网原型，需要开发出量子升级版本的网络堆栈。与经典网络类似，新堆栈的最底层元素是物理层，包括所有量子硬件设备和光纤，它们负责量子信息的产生、定时和同步。向上一层是数据链路层，负责运行物理层，在可控量子节点之间产生纠缠，较高层可以向链路层发出请求以产生纠缠。网络层负责在没有直接连接的节点之间产生长距离的纠缠，这是利用链路层的纠缠交换在相邻可控节点之间产生纠缠来实现的。传输层负责使用隐形传态传送量子位。应用层使应用程序能够同时使用经典网络和量子网络功能。这些应用包括纠缠远距离量子计算机的量子位或数据传输。
优先方向1：为量子互联网提供基本的构建模块
当前的量子网络实验所能使用的设备功能和性能有限。要创建广域、可操作的量子网络，需要更多功能强大的设备。这些新设备必须满足可靠性、扩展性和维护方面的要求。基本的网络设备可能包括：具备高效光学接口和卫星—光纤连接（satellite-to-fiber connections）的量子存储器；高速、低损耗量子开关；复用技术；量子源和改进源的传感器；从光学和电信系统到量子计算机相关领域的转换器。
美国国家科技委员会量子信息科学分委会在《美国量子网络战略远景》报告中建议采用以下量子技术：量子探测器、超低损耗光通道、空对地连接、经典网络和网络安全协议；纠缠态和超纠缠态源以及量子态的传输、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；使用量子中继器的远程纠缠分发（陆基和天基），允许在小型和大型量子处理器之间使用基于纠缠的协议。
优先方向2：集成多个量子网络设备
当前，可用的量子网络关键组件仍处于实验室准备阶段，尚未在完整的网络配置中运行。为实现级联操作，达到互通互联，需克服以下挑战：利用系统工程统一现有组件的操作特性（如带宽、波长、频宽比）以集成现有组件；实现高速量子纠缠源、量子存储器缓冲器和探测器，以补偿级联操作的损耗；进一步开发量子网络关键组件，如高速率、低损耗的量子开关和多路复用技术。
优先方向3：为量子纠缠创建中继、交换和路由
多跳网络在选择网络路径的同时，还需要一种加强和重复信号的手段。经典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、交换和净化协议，以及将经典网络与量子网络技术进行协调和集成，以实现最佳控制和操作。
路由是网络的基本功能。多跳网络需要选择通过网络的路径。第一批基于纠缠的量子网络原型将不采用量子内存和中继器，而是采用软件定义网络(SDN)技术，执行光纤网络中传统的波长路由和分配，建立量子节点之间或量子节点与纠缠光子源（EPS）之间的量子路径。光交换机需要进行动态编程，建立多个量子路径。这些拓扑结构将为多用户建立纠缠分发和量子隐形传态（quantum teleportation）协议。在同一光纤传输系统中与传统网络共存，对于共享相同密集波分复用网络（DWDM network）组件至关重要。
为在固定目标对之间进行纠缠分发，需使用量子中继器扩展纠缠对的分发范围。与经典中继器的操作不同，量子中继器在光子越过时不会放大处于纠缠状态的光子。相反，量子中继器可通过消耗第二个纠缠对的资源，在额外的距离区间内“跳转”纠缠属性。实现该过程所需的创新就是纠缠交换的量子过程。
量子中继器改进距离传输的潜力是通过增加工作的量子存储器来实现的，量子存储器可以在成功传输后缓冲一对光子，不需要另一对光子在完全相同的时间存活。一个单跳量子中继器的原型需要4个先导量子存储器。其他实现量子中继器分发的方法包括依赖于全光量子处理，以及基于原子集合体的方法。
优先方向4：实现量子网络功能的纠错功能
量子网络与经典网络的根本区别在于：在量子网络中纠缠固有地存在于网络的物理层中，在经典网络中共享状态只建立在较高层。在这种情况下，必须保证网络设备的保真度水平能够支持纠缠分发和确定性隐形传态，以及能够补偿损耗和允许操作纠错的量子中继器方案。
当能够进行纠错和串联量子中继器的设备可用时，量子通信网络就完成了。在此阶段，量子网络将能够支持分布式量子计算和量子传感器应用所需的所有协议。实现这样的量子网络需要改进量子网络技术，包括具有高重复率的量子链路，支持纠缠分发和确定性隐形传态的保真度，以及允许损耗和纠错的量子中继器方案。
三
关键里程碑
报告提出了五个关键里程碑，里程碑根据复杂度进行排序，后一阶段包含之前阶段的所有功能。全面部署后，量子互联网将通过国家量子网络系统中的量子通信连接地球上任何两个点。每个量子网络将基于一组异构技术互连节点，这些技术将实现多种量子协议集，例如多方安全通信、传感、盲量子计算和分布式量子计算等。
里程碑1：在光纤网络中验证安全量子协议
准备和测量量子网络。在这个量子网络原型中，终端用户接收和测量量子态，但不一定涉及纠缠。在这种网络中要实现的应用包括非可信节点之间的交换，这些节点对定时波动、量子比特丢失和错误的容忍度相对较高。这一阶段的量子网络要实现以下功能：端到端的量子功能；传输和测量功能；可以即时测量产生经典关联的量子位。
里程碑2：在校园间和城市内实现量子纠缠分发
纠缠分发网络。在这类量子网络中，任何两个终端用户都可以获得纠缠态，这需要创建端到端的量子纠缠，并进行本地测量。这些网络通过实施设备独立的协议（如与测量设备独立的量子密钥分发和双方加密）来提供能力。这一阶段对波动、损耗和错误的容忍度要低于“里程碑1”阶段。经典网络和量子网络要实现初始整合。
里程碑3：利用纠缠交换实现城际量子通信
量子存储网络。在这类量子网络中，任何两个终端节点都可以获得并存储纠缠量子位，相互传送量子信息。终端节点可以对接收到的量子位进行测量和操作。最小的内存存储要求由往返经典通信的时间决定。这个量子网络阶段可以实现有限的云量子计算，允许具备测量单量子位能力的节点连接到远程量子计算服务器。
另外，要构建早期的第一代原型，以确定领先策略和需要解决的低效问题，这是保证全国性整体计划成功的另一种机制。为对各部件进行彻底评估，并进行初步阶段性集成测试，还将需要一个或多个早期试验平台，形成量子局域网。
里程碑4：利用量子中继器实现州际量子纠缠分发
经典网络技术和量子网络技术相互融合。成功融合量子中继器和大陆范围内的量子纠错通信，为覆盖更长距离的纠缠分发网络铺平道路，使创建量子互联网成为可能。
里程碑5：在实验室、学术界和产业界间构建多方生态系统，从示范向运行过渡
要实现量子通信基础设施，并将其落实为量子互联网的正式原型，联邦机构之间的协调和合作至关重要。能源部、国家科学基金会、国家标准和技术研究所、国防部、国家安全局、美国国家航空航天局和国家卫生研究院等机构构建了很多互补性基础设施，这些基础设施的互动和整合尤为重要。应通过与量子通信初创企业和大型光通信企业开展强有力的合作，鼓励为新方向和衍生应用提供关键机会。
利用这种多方参与的生态系统，量子互联网原型开发中的以下关键点将格外受益：采用网络遥测管理技术的概念，使用全球网络公司提供的设施；利用能源部能源科学网络（ESnet）现有的光同步技术和网络，配置更高通信级别的复杂量子网络；以较低成本从商业合作伙伴购买或租赁光纤基础设施；与ESnet、Internet2等光纤供应商合作，确定大型光纤网络的光纤质量、地图、拓扑结构和损耗；探索利用配置空间（collocation space）作为光纤交换点的可行性；培养“量子智能”劳动力，支持新的量子网络；与专门机构合作，创建一个可扩展和部署的量子通信硬件技术标准；与空军研究实验室或美国航天局同期开发的空间光网络和卫星网络进行协调；推动大型通信公司应用第一代量子通信设备。
来源：《科技参考》2020年第45期
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