近日,美国《量子计算网络安全防范法案》通过了众议院监督和政府改革委员投票批准,并已提交众议院全体会议审议。作为该法案的提出者之一,共和党众议员Nancy Mace表示,《量子计算网络安全防范法案》是保护公民免受未来网络安全威胁的关键一步,要采取必要措施,防止图谋不轨者在量子计算时代窃取有价值的信息。目前法案已获得了Google、IBM、PQSecure Technologies、QuSecure、Maybell Quantum和Quantinuum等科技公司的支持。
美国打造量子互联网
美国计划打造一个量子互联网,利用量子力学定律更安全地共享信息,并连接新一代计算机和传感器。
在2020年发布的《美国量子网络战略构想》中,美国就明确将开辟量子互联网,即一张由量子计算机和其他量子设备组成的庞大网络,它将催化出许多新兴技术,从而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。随后,美国公布了量子互联网发展的战略蓝图,提出未来5年内,美国的公司和实验室将论证实现量子网络的基础科学和关键技术;未来20年内,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。
美国能源部量子互联网蓝图报告现网实验计划
在量子网络立法方面,美国也非常重视。除了此次的《量子计算网络安全防范法案》外,还在2021年提出《量子网络基础设施法案》,要求推进美国以量子为中心的基础设施的发展,包括量子计算、量子测量及量子通信;今年4月,提出了《量子网络基础设施和劳动力发展法案》,以提高美国在量子网络方面的能力,并且将采取相关措施建立更全面的劳动力发展方案等。
在量子网络实践上,2020年阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家们在芝加哥郊区52英里的“量子环”中纠缠光子 ;石溪大学和布鲁克海文国家实验室与斯伯克利国家实验室合作,建立了一个80英里的量子网络试验平台,同时正积极地在纽约州、橡树岭国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室进行网络的扩展等。
量子网络,下一个必争之地
量子网络正逐步成为量子科技领域科研和应用探索的前沿热点,除了美国外,中国、日本、荷兰、英国、俄罗斯等国家都加速了量子网络布局,为即将到来的量子网络时代未雨绸缪。
量子网络,也被称为量子信息网络或量子互联网,是长程量子通信和分布式量子计算的载体,是量子信息技术研究和应用发展的重要方向。
量子网络基于量子通信技术产生、传输和使用量子态资源,实现量子计算机、量子传感器等量子信息处理系统或节点之间的互联和量子态信息传输,可进一步提升量子信息传输和处理能力。量子网络利用了量子力学原理,量子信息的传输是不可篡改和绝对安全的,可以避免现有互联网中信息泄露等问题。
现在互联网的发展已经影响和渗透到了社会中的各行各业,实现了40多年前创建互联网时无法想象的应用。当量子网络逐步实现的时候,将更彻底改变我们的生活和工作,国家安全、金融、健康等领域都将享受到量子网络带来的超强算力和安全性,出现更多颠覆想象的革命性应用。
道阻且长,行则将至
量子网络建立并不是一蹴而就,而是循序渐进,分步实施的。目前,全球多个团队/科学家对这一过程进行了阐释。
荷兰代尔夫特理工大学团队将量子网络发展分为六个阶段,第一阶段是可信中继的网络,第二阶段是制备测量网络,第三阶段是纠缠分发网络,第四阶段是量子存储网络,第五阶段是容错量子比特网络,第六阶段是量子计算网络。代尔夫特团队正在建设一个连接代尔夫特、海牙、莱顿和阿姆斯特丹四个城市的量子网络。
根据关键使能技术需求和预期应用场景,量子网络的演进一般划分为三代,第一代为基于量子叠加态的经典密钥分发(量子保密通信网络),第二代为基于量子纠缠态的量子信息分发和中继网络,第三代为基于量子计算资源的全真量子态传输网络。第一代的量子网络QKD基本不具备分布纠缠的能力,第二代具有简单点对点的分布能力,第三代则具有把纠缠进行复杂逻辑处理,进行全网络分布的能力。
在中国信息通信研究院技术与标准研究所发布的《量子信息网络概念原理与发展前景初探》中,将量子网络分为量子加密网络、量子存储网络和量子计算网络3个阶段。量子加密网络基于量子叠加态或纠缠态的概率性制备与测量,可以实现密钥分发、安全识别和位置验证等加密功能,典型应用是已进入实用化的QKD网络;量子存储网络将具备确定性纠缠分发、量子态存储和纠缠中继等功能和能力,可支持盲量子计算、量子时频同步组网和量子计量基线扩展等新型应用;量子计算网络将进一步包含可容错和纠错的通用量子计算处理和大规模量子纠缠组网等功能和能力,可用于分布式量子计算提升量子态信息处理能力,以及实现量子纠缠协议组网等应用场景。
量子网络是未来的趋势,其发展过程无论要经过几个阶段,都不难看出,科学界和产业界都在期待基于量子计算资源的网络,并对此充满憧憬。
我国:各方早有布局
在全球范围内,我国量子通信处于领先地位,量子计算也位列第一梯队。虽然目前我国还没有明确的量子网络战略或发展规划,但近年来国家也高度重视和大力支持量子信息领域的基础研究、科学实验、网络建设和示范应用。
在“十四五”规划中,对量子通信、量子计算、量子测量领域的科技攻关和产业化发展进行规划布局,包括要在“量子信息等重大创新领域组建一批国家实验室” “加强原创性引领性科技攻关,在量子信息城域、城际、自由空间量子通信技术研发,通用量子计算原型机和实用化量子模拟机研制,量子精密测量技术突破” “在量子信息等前沿科技和产业变革领域,组织实施未来产业孵化与加速计划,谋划布局一批未来产业”等。
2021 年以来,北京、安徽、广东、上海、山东等省级行政区域的地方将量子科技纳入“十四五”规划,对量子信息领域基础科研、应用探索和产业培育等方面做出具体部署,提供政策引导与项目支持。除了政策支持外,我国学术界也在加快研发进度,前瞻布局量子网络。我国基于QKD的量子通信在设备商用化、实验网络建设和示范应用探索等方面发展较快,量子计算原理样机科研成果不断涌现,应用探索初步开展。产业界以启科量子公司为代表,坚持量子计算和量子通信融合发展,提前布局,对于构建量子网络奠定良好基础具有重要意义。目前我国对量子网络的研究仍处于初级阶段,需要产学研用各方共同发力,联合攻关,打造我国量子网络的核心竞争力。
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