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抢占量子领域先机:美国发布《美国量子网络战略构想》!

一直以来,美国政府都希望能在量子信息科学(QIS)领域发挥领导作用,从而释放本国经济增长、技术进步和国家安全的巨大潜力。

近日,白宫发布了一份由国家量子协调办公室(NQCO)撰写的文件《美国量子网络战略构想》(A Strategic Vision for America’s Quantum Networks),提出美国将汇聚联邦机构、学术界和业界领袖的科研力量,促进量子互联网发展,确保量子信息科学惠及大众。

量子互联网大战!美国发布《战略构想》文件,欲抢占领导地位

美国将开辟量子互联网

文件提到:

1969 年国防部高级研究计划局(DARPA)演示了首个计算机网络 ARPANET,推动了后来的互联网诞生。那时候我们都没想到,它会成为未来推动经济增长、提高生活质量的最强引擎。

因此,美国联邦政府希望如同当年一样,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。

根据文件,美国将探索如何构建量子互联网——一个由量子计算机和其他量子设备组成的庞大网络,从而催生新技术、加速互联网发展、提高通信安全性,并在计算方面取得巨大进步。同时,通过在量子网络方面走在世界前列,美国将改革国家和金融安全、患者隐私、药物发现以及新材料的设计和制造,同时提高人类对宇宙的科学认识。

具体来讲,战略构想中提出了两个目标(原文见下图):

  • 未来 5 年,美国企业、实验室将展示实现量子网络的基础科学和关键技术,从量子互连、量子中继器、量子存储器、高通量量子信道,以及洲际天基纠缠分布。同时,为保证商业、科学、卫生和国家安全利益,将查明这类系统的潜在影响和改进应用;
  • 未来 20 年,量子互联网链路将利用网络化量子设备,实现经典技术无法实现的新功能,并增进对纠缠作用的理解。
量子互联网大战!美国发布《战略构想》文件,欲抢占领导地位

同时,战略构想也建议开展下列 6 个项目:

  • 开发关键部件的技术和平台,包括经典源、量子受限探测器、超低损耗互连、空对地连接、经典网络和网络安全协议以及规模成本;
  • 将量子源和信号从光学和电信波段转移到量子计算机相关波段(包括微波);
  • 产生纠缠和超纠缠态,传输、控制和测量量子态;
  • 开发与基于光学或电信波长的光子基量子位兼容的量子存储器和小规模量子计算机;
  • 探索小规模和大规模量子处理器之间远程纠缠的新算法和应用,包括量子纠错、量子云计算协议和新的量子感测模态;
  • 探索地面和天基纠缠分布技术。
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美国量子信息科学领域动作频频

近年来美国在量子信息科学领域动作频频。

2018 年 6 月,白宫国家科技委员会(NSTC)成立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。

2018 年 9 月,量子信息科学子委员会在白宫峰会上发布《国家量子信息科学战略概览》,提出 6 点建议,包括量子信息科学教育应从小学开始;同时,美国能源部宣布将成立多个国家级实验室,并加大资金投入。

2018 年 10 月 26 日,美国初创公司 Quantum Xchange 表示,已接入沿美国东海岸运行的 500 英里光纤电缆,用以为美国创造首个州际、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。

2018 年 12 月,美国总统 Donald Trump 签署了《国家量子倡议法案》(NQIA),该法案提出,将实施为期 10 年的“国家量子倡议项目”,旨在通过增加联邦投资与协调,加快量子信息科学的研发,确保美国在量子信息科学技术应用领域持续领先地位。

该法案的三大目标为——用量子技术开发新一代传感器、制造量子计算机、建立全球量子通信系统。

而基于《国家量子倡议法案》,美国政府做出的举措大致包括:

  • 白宫成立国家量子协调办公室,以便统一联邦研发活动;
  • 白宫成立国家量子倡议咨询委员会,确保来自量子界的观点为联邦提供信息;
  • 美国国家科学基金会(NSF)发布“量子跃迁挑战研究所(QLCI)”计划指南,探索基础量子科学和技术;
  • 美国能源部(DOE)为建立新的量子信息科学研究中心提供资金,能源部国家实验室的研究人员与学术界、机构(国家标准和技术研究所、国防部、国家安全局、宇航局等)、企业一起推进研发。

值得一提的是,近日发布的战略构想正是基于上述《国家量子倡议法案》,并由该法案的协调机构、国家量子协调办公室(NQCO)和国家科学和技术理事会量子信息科学小组委员会(SCQIS)共同制定,反映了此前对这一领域的深入投入——2018-2019 年的信息响应请求以及联邦机构近期举办的研讨会。

此外,2020 年 2 月 10 日,Donald Trump 在 2021 年度的政府财政预算提案中,也大幅削减了主要科学机构的研发预算,希望将更多资金投入到人工智能和量子信息科学当中。因此,美国政府对量子信息科学发展的重视可见一斑。

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各国加入量子互联网竞争

1900 年,德国物理学家、量子力学之父普朗特(Max Planck)创立量子理论。而 100 多年后,量子互联网(指一种基于量子力学原理建立起来的新型互联网,可使绝对安全的网络通信成为可能。由于对量子体的任何测量行为都是对量子体的一次修改,所以任何窥探量子信息的企图都会留下马脚。)方兴未艾。

在中国,“量子之父”、中科院院士潘建伟的成绩不少:

  • 2016 年 11 月 5 日,潘建伟表示,中国计划用 15 年左右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;
  • 2017 年 7 月,潘建伟及其中国科学技术大学的团队称,他们打破了量子隐形传态的记录,将一个光子的量子态传输到距地面 1400公里的轨道卫星上的光子上;
  • 2017 年 9 月,潘建伟团队利用上述卫星向北京和维也纳发射了光子,用来产生量子加密密钥;
  • 2020 年 1 月,潘建伟面对美国情报公司的污蔑,霸气宣布:在光量子计算方面,我国已经做到了相当于 48 个量子比特的结果,预计 2020 年能够实现 50 个光子相干操纵,也能够达到所谓的“量子优越性”(谷歌称之为“量子霸权”);
  • 2020 年 2 月,潘建伟、包小辉团队在实验室中实现了长距离的量子纠缠,两种实验方案分别实现了 22 公里和 50 公里的量子纠缠,创造了世界纪录。

而实际上,荷兰也是量子互联网建设领域的一大玩家——2018 年 6 月,由荷兰代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究机构(TNO)共同运作的 Intel 研发合作伙伴、量子科学顶尖学术机构 QuTech 成功使两块量子芯片产生量子纠缠。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。

基于此,当时不少人都认为荷兰有望率先创建世界上首个量子互联网。

综合各国表现,可以看出白宫最新发布的《美国量子网络战略构想》无疑会使得全球量子互联网竞争更加激烈。那么究竟谁会率先建成量子互联网,我们拭目以待。

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