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| 本文作者： 付靜 | 2020-02-21 18:49 |
一直以來，美國(guó)政府都希望能在量子信息科學(xué)（QIS）領(lǐng)域發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，從而釋放本國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、技術(shù)進(jìn)步和國(guó)家安全的巨大潛力。
近日，白宮發(fā)布了一份由國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室（NQCO）撰寫的文件《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》（A Strategic Vision for America's Quantum Networks），提出美國(guó)將匯聚聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界和業(yè)界領(lǐng)袖的科研力量，促進(jìn)量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，確保量子信息科學(xué)惠及大眾。
美國(guó)將開辟量子互聯(lián)網(wǎng)
文件提到：
1969 年國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）演示了首個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) ARPANET，推動(dòng)了后來的互聯(lián)網(wǎng)誕生。那時(shí)候我們都沒想到，它會(huì)成為未來推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、提高生活質(zhì)量的最強(qiáng)引擎。
因此，美國(guó)聯(lián)邦政府希望如同當(dāng)年一樣，在推動(dòng)早期量子信息科學(xué)研究、引導(dǎo)國(guó)家研發(fā)活動(dòng)時(shí)發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
根據(jù)文件，美國(guó)將探索如何構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)——一個(gè)由量子計(jì)算機(jī)和其他量子設(shè)備組成的龐大網(wǎng)絡(luò)，從而催生新技術(shù)、加速互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、提高通信安全性，并在計(jì)算方面取得巨大進(jìn)步。同時(shí)，通過在量子網(wǎng)絡(luò)方面走在世界前列，美國(guó)將改革國(guó)家和金融安全、患者隱私、藥物發(fā)現(xiàn)以及新材料的設(shè)計(jì)和制造，同時(shí)提高人類對(duì)宇宙的科學(xué)認(rèn)識(shí)。
具體來講，戰(zhàn)略構(gòu)想中提出了兩個(gè)目標(biāo)（原文見下圖）：
未來 5 年，美國(guó)企業(yè)、實(shí)驗(yàn)室將展示實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器、高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分布。同時(shí)，為保證商業(yè)、科學(xué)、衛(wèi)生和國(guó)家安全利益，將查明這類系統(tǒng)的潛在影響和改進(jìn)應(yīng)用；
未來 20 年，量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路將利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新功能，并增進(jìn)對(duì)糾纏作用的理解。
同時(shí)，戰(zhàn)略構(gòu)想也建議開展下列 6 個(gè)項(xiàng)目：
開發(fā)關(guān)鍵部件的技術(shù)和平臺(tái)，包括經(jīng)典源、量子受限探測(cè)器、超低損耗互連、空對(duì)地連接、經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議以及規(guī)模成本；
將量子源和信號(hào)從光學(xué)和電信波段轉(zhuǎn)移到量子計(jì)算機(jī)相關(guān)波段（包括微波）；
產(chǎn)生糾纏和超糾纏態(tài)，傳輸、控制和測(cè)量量子態(tài)；
開發(fā)與基于光學(xué)或電信波長(zhǎng)的光子基量子位兼容的量子存儲(chǔ)器和小規(guī)模量子計(jì)算機(jī)；
探索小規(guī)模和大規(guī)模量子處理器之間遠(yuǎn)程糾纏的新算法和應(yīng)用，包括量子糾錯(cuò)、量子云計(jì)算協(xié)議和新的量子感測(cè)模態(tài)；
探索地面和天基糾纏分布技術(shù)。
雷鋒網(wǎng)了解到，近年來美國(guó)在量子信息科學(xué)領(lǐng)域動(dòng)作頻頻。
2018 年 6 月，白宮國(guó)家科技委員會(huì)（NSTC）成立量子信息科學(xué)子委員會(huì)，協(xié)調(diào)聯(lián)邦政府關(guān)于量子信息科學(xué)的研發(fā)活動(dòng)。
2018 年 9 月，量子信息科學(xué)子委員會(huì)在白宮峰會(huì)上發(fā)布《國(guó)家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略概覽》，提出 6 點(diǎn)建議，包括量子信息科學(xué)教育應(yīng)從小學(xué)開始；同時(shí)，美國(guó)能源部宣布將成立多個(gè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室，并加大資金投入。
2018 年 10 月 26 日，美國(guó)初創(chuàng)公司 Quantum Xchange 表示，已接入沿美國(guó)東海岸運(yùn)行的 500 英里光纖電纜，用以為美國(guó)創(chuàng)造首個(gè)州際、商用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)——至此，美國(guó)第一個(gè)大型量子互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目已初具雛形。
2018 年 12 月，美國(guó)總統(tǒng) Donald Trump 簽署了《國(guó)家量子倡議法案》（NQIA），該法案提出，將實(shí)施為期 10 年的“國(guó)家量子倡議項(xiàng)目”，旨在通過增加聯(lián)邦投資與協(xié)調(diào)，加快量子信息科學(xué)的研發(fā)，確保美國(guó)在量子信息科學(xué)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)領(lǐng)先地位。
雷鋒網(wǎng)了解到，該法案的三大目標(biāo)為——用量子技術(shù)開發(fā)新一代傳感器、制造量子計(jì)算機(jī)、建立全球量子通信系統(tǒng)。
而基于《國(guó)家量子倡議法案》，美國(guó)政府做出的舉措大致包括：
白宮成立國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室，以便統(tǒng)一聯(lián)邦研發(fā)活動(dòng)；
白宮成立國(guó)家量子倡議咨詢委員會(huì)，確保來自量子界的觀點(diǎn)為聯(lián)邦提供信息；
美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）發(fā)布“量子躍遷挑戰(zhàn)研究所（QLCI）”計(jì)劃指南，探索基礎(chǔ)量子科學(xué)和技術(shù)；
美國(guó)能源部（DOE）為建立新的量子信息科學(xué)研究中心提供資金，能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員與學(xué)術(shù)界、機(jī)構(gòu)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所、國(guó)防部、國(guó)家安全局、宇航局等）、企業(yè)一起推進(jìn)研發(fā)。
值得一提的是，近日發(fā)布的戰(zhàn)略構(gòu)想正是基于上述《國(guó)家量子倡議法案》，并由該法案的協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)、國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室（NQCO）和國(guó)家科學(xué)和技術(shù)理事會(huì)量子信息科學(xué)小組委員會(huì)（SCQIS）共同制定，反映了此前對(duì)這一領(lǐng)域的深入投入——2018-2019 年的信息響應(yīng)請(qǐng)求以及聯(lián)邦機(jī)構(gòu)近期舉辦的研討會(huì)。
此外，2020 年 2 月 10 日，Donald Trump 在 2021 年度的政府財(cái)政預(yù)算提案中，也大幅削減了主要科學(xué)機(jī)構(gòu)的研發(fā)預(yù)算，希望將更多資金投入到人工智能和量子信息科學(xué)當(dāng)中。因此，美國(guó)政府對(duì)量子信息科學(xué)發(fā)展的重視可見一斑。
1900 年，德國(guó)物理學(xué)家、量子力學(xué)之父普朗特（Max Planck）創(chuàng)立量子理論。而 100 多年后，量子互聯(lián)網(wǎng)（雷鋒網(wǎng)注：指一種基于量子力學(xué)原理建立起來的新型互聯(lián)網(wǎng)，可使絕對(duì)安全的網(wǎng)絡(luò)通信成為可能。由于對(duì)量子體的任何測(cè)量行為都是對(duì)量子體的一次修改，所以任何窺探量子信息的企圖都會(huì)留下馬腳。）方興未艾。
在中國(guó)，“量子之父”、中科院院士潘建偉的成績(jī)不少：
2016 年 11 月 5 日，潘建偉表示，中國(guó)計(jì)劃用 15 年左右構(gòu)建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)；
2017 年 7 月，潘建偉及其中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)稱，他們打破了量子隱形傳態(tài)的記錄，將一個(gè)光子的量子態(tài)傳輸?shù)骄嗟孛?1400公里的軌道衛(wèi)星上的光子上；
2017 年 9 月，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用上述衛(wèi)星向北京和維也納發(fā)射了光子，用來產(chǎn)生量子加密密鑰；
2020 年 1 月，潘建偉面對(duì)美國(guó)情報(bào)公司的污蔑，霸氣宣布：在光量子計(jì)算方面，我國(guó)已經(jīng)做到了相當(dāng)于 48 個(gè)量子比特的結(jié)果，預(yù)計(jì) 2020 年能夠?qū)崿F(xiàn) 50 個(gè)光子相干操縱，也能夠達(dá)到所謂的“量子優(yōu)越性”（谷歌稱之為“量子霸權(quán)”）；
2020 年 2 月，潘建偉、包小輝團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離的量子糾纏，兩種實(shí)驗(yàn)方案分別實(shí)現(xiàn)了 22 公里和 50 公里的量子糾纏，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。
而實(shí)際上，荷蘭也是量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域的一大玩家——2018 年 6 月，由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)（TNO）共同運(yùn)作的 Intel 研發(fā)合作伙伴、量子科學(xué)頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu) QuTech 成功使兩塊量子芯片產(chǎn)生量子糾纏。研究員開發(fā)了一組新型智能通信協(xié)議，可根據(jù)需要產(chǎn)生量子糾纏并提供保護(hù)。
基于此，當(dāng)時(shí)不少人都認(rèn)為荷蘭有望率先創(chuàng)建世界上首個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)。
綜合各國(guó)表現(xiàn)，可以看出白宮最新發(fā)布的《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》無疑會(huì)使得全球量子互聯(lián)網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。那么究竟誰會(huì)率先建成量子互聯(lián)網(wǎng)，我們拭目以待。
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