【熱點(diǎn)】美國發(fā)布量子互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃

目前，許多科學(xué)家都意識到構(gòu)建和擴(kuò)展量子保護(hù)和增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)最重要的前沿技術(shù)之一。國際研究機(jī)構(gòu)計(jì)劃在未來的10年內(nèi)構(gòu)建全球首個量子互聯(lián)網(wǎng)（全球量子網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)）。

• 傳感器網(wǎng)絡(luò)。量子時鐘網(wǎng)絡(luò)是一個被普遍考慮的應(yīng)用，它創(chuàng)造了一個可以顯著提高某些現(xiàn)象測量精度的網(wǎng)絡(luò)，比如引力波。量子望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)也可以用來銳化和增強(qiáng)聚集圖像。同時，量子計(jì)量學(xué)可以實(shí)現(xiàn)更精確的成像技術(shù)，如顯微鏡、光學(xué)和電磁成像。

• 升級量子計(jì)算。量子網(wǎng)絡(luò)可以用來連接量子計(jì)算系統(tǒng)，提供傳統(tǒng)系統(tǒng)和量子系統(tǒng)之間的過渡。分布式量子計(jì)算可以通過量子網(wǎng)絡(luò)將許多更小的量子計(jì)算機(jī)連接起來。由此產(chǎn)生的分布式量子計(jì)算系統(tǒng)可以提供當(dāng)前單個量子計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的計(jì)算能力。
  

• 安全的量子通信。量子互聯(lián)網(wǎng)提供終極安全通信的能力將是一個核心應(yīng)用。通過量子信道進(jìn)行的信息交換的量子密鑰分配是當(dāng)前量子安全通信的主要研究熱點(diǎn)。這些解決方案的早期采用者將出現(xiàn)在國家安全、銀行和能源輸送基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)一個能夠執(zhí)行上述任務(wù)的量子互聯(lián)網(wǎng)原型系統(tǒng)需要開發(fā)一個量子版本的網(wǎng)絡(luò)棧。與TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似，最底層為物理層，包括量子硬件設(shè)備和光纖等，負(fù)責(zé)量子信息的生成、排序和同步。數(shù)據(jù)鏈路層在物理層上運(yùn)行，用來生成可控量子節(jié)點(diǎn)之間的糾纏。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)為不直接連接的節(jié)點(diǎn)之間生成長距離糾纏。傳輸層負(fù)責(zé)傳輸量子比特。應(yīng)用層的應(yīng)用可以同時使用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和量子網(wǎng)絡(luò)的一些能力。

圖TCP/IP 5層架構(gòu)模型與量子互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

優(yōu)先方向1：構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)

當(dāng)前量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)依賴的設(shè)備功能和性能都很有限。要創(chuàng)建大范圍、可運(yùn)行的量子網(wǎng)絡(luò)，就需要更多功能強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)備。這些設(shè)備要滿足可靠性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括可以高效處理光接口和衛(wèi)星-光纖連接的量子內(nèi)存；高速率、低損耗的量子交換機(jī)；復(fù)用技術(shù)；量子源和改進(jìn)源的傳感器等。

目前的關(guān)鍵量子物理組件仍處于實(shí)驗(yàn)室級階段，還無法在全網(wǎng)絡(luò)配置中運(yùn)行。在實(shí)現(xiàn)級聯(lián)操作和連接上要克服一些關(guān)鍵的挑戰(zhàn)：

• 通過系統(tǒng)級工程統(tǒng)一現(xiàn)有的操作性能融合現(xiàn)有組件，比如帶寬、波長等；

• 為補(bǔ)償級聯(lián)操作損失實(shí)現(xiàn)GHZ量子糾纏源、量子內(nèi)存緩存和檢測器；

• 進(jìn)一步開發(fā)關(guān)鍵量子物理組件，比如高速率、低損耗的量子交換器和多分復(fù)用技術(shù)。

多跳網(wǎng)絡(luò)需要增強(qiáng)和重復(fù)信號的方法，還需要選擇通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的物理和軟件方案并不適用于量子網(wǎng)絡(luò)。面臨的挑戰(zhàn)包括不同形式的量子糾纏生成、交換，多用戶的凈化協(xié)議，以及傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和量子網(wǎng)絡(luò)融合和協(xié)同的控制和操作。

路由是網(wǎng)絡(luò)的最基本功能。多跳網(wǎng)絡(luò)需要選擇通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。基于糾纏的量子網(wǎng)絡(luò)的首個原型系統(tǒng)并沒有使用量子內(nèi)存和中繼器。而是使用SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)來執(zhí)行傳統(tǒng)的波長路由和光纖網(wǎng)絡(luò)中的分配來建立量子節(jié)點(diǎn)之間以及量子節(jié)點(diǎn)與糾纏光子源（EPS）之間的量子路徑。

光交換機(jī)需要動態(tài)編程來建立多個量子路徑。這些簡單的拓?fù)錇槎嘤脩艚⒓m纏分發(fā)和量子傳輸協(xié)議。在同一光纖傳輸系統(tǒng)中與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)共存，這對分享相同的DWDM 網(wǎng)絡(luò)組件是非常重要的。

要在固定的目標(biāo)對之間進(jìn)行糾纏分發(fā)，就需要使用量子中繼器擴(kuò)展糾纏對的分發(fā)距離。與經(jīng)典中繼器的操作不同，量子中繼器在光子傳輸時不會放大處于糾纏態(tài)的光子。相反，量子中繼器可以通過消耗第二個糾纏對的資源，在額外的距離間隔上“跳躍”糾纏屬性。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)所需的創(chuàng)新是糾纏交換的量子過程。

增加傳輸?shù)木嚯x的潛在方法是加入量子中繼器以及加入量子內(nèi)存。一跳量子中繼器原型系統(tǒng)需要4個量子內(nèi)存。其他實(shí)現(xiàn)量子中繼器的分發(fā)包括依賴光量子處理方法和基于原子集成的方法。

優(yōu)先方向4：量子網(wǎng)絡(luò)功能的錯誤糾正

量子網(wǎng)絡(luò)的一個根本區(qū)別來自于這樣一個事實(shí):糾纏的長距離生成是一項(xiàng)基本的網(wǎng)絡(luò)功能，本質(zhì)上存在于網(wǎng)絡(luò)的物理層。這不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，共享狀態(tài)通常只建立在較高層。在這種情況下，必須找到解決方案，以保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的保真度水平能夠支持糾纏分布和確定性傳送，以及能夠補(bǔ)償損耗和允許操作糾錯的量子中繼器方案。

當(dāng)能夠進(jìn)行錯誤糾正的設(shè)備和量子中繼器實(shí)現(xiàn)時，量子通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最后一步就完成了。量子網(wǎng)絡(luò)支持所有需要分發(fā)量子計(jì)算協(xié)議和量子傳感器應(yīng)用，包括多內(nèi)存計(jì)算機(jī)架構(gòu)和應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這樣的量子網(wǎng)絡(luò)需要大量量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，包括高重復(fù)速率的量子鏈路、支持糾纏分發(fā)和確定性隱性傳輸?shù)臏?zhǔn)確度等。生成多方糾纏的能力對感知應(yīng)用來說也是非常必要的。

下面介紹一些現(xiàn)有的和近期的技術(shù)以及量子網(wǎng)絡(luò)測試床，以及構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的路線圖。

注：里程碑是根據(jù)復(fù)雜度來排序的，后一階段包含了之前階段的所有功能。

準(zhǔn)備和評估量子網(wǎng)絡(luò)。在量子網(wǎng)絡(luò)原型中，終端用戶接收和測試量子狀態(tài)，但糾纏并不是必須參與的。這一階段網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，包括非可信節(jié)點(diǎn)之間對高時序波動、量子位損失和錯誤有高容忍度地進(jìn)行交換。用戶可以驗(yàn)證密碼，2個終端用戶可以分享只有對方知道的私鑰。實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)階段的應(yīng)用的要求包括：

• 端對端量子功能的實(shí)現(xiàn)；

• 傳輸和評估；

• 量子比特可以馬上進(jìn)行評估來生成相關(guān)性。

相關(guān)的例子有Oak Ridge和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室使用量子密碼系統(tǒng)、通過可信節(jié)點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用領(lǐng)域包括通過安全通信實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的保護(hù)。

糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。在這種量子網(wǎng)站中，任意2個終端用戶可以獲取糾纏的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)備獨(dú)立的協(xié)議實(shí)現(xiàn)提供了一些能力，比如設(shè)備獨(dú)立的量子密鑰分發(fā)和兩方密碼學(xué)。這一階段對波動、損失和錯誤的容忍度要低于里程碑1。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和量子網(wǎng)絡(luò)開始初步融合。比如，Illinois-Express Quantum Network（IEQNET）就融合了多個位于佐治亞不同區(qū)域的站點(diǎn)。每個站點(diǎn)有1個或多個量子節(jié)點(diǎn)，可以進(jìn)行量子通信和評估。

量子內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。在這一階段，任意兩個終端用戶可以獲取和保存糾纏量子比特，以及傳送量子信息到對方。終端用戶可以根據(jù)接收到的量子比特進(jìn)行評估和操作。最小的內(nèi)存存儲需求是根據(jù)傳統(tǒng)通信所需的時間來確定的。這一量子網(wǎng)絡(luò)階段允許一定范圍的云量子計(jì)算，也就是說節(jié)點(diǎn)可以準(zhǔn)備和評估單個量子比特來連接到遠(yuǎn)程的量子計(jì)算服務(wù)器。Brookhaven Lab–SBU–ESnet合作在2019年4月在美國實(shí)現(xiàn)了最長距離20km的糾纏分發(fā)的實(shí)驗(yàn)。下一步該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將現(xiàn)有的量子網(wǎng)絡(luò)與紐約市的Manhattan Landing (MANLAN)連接。

融合傳統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。成功融合量子中繼器和大陸范圍內(nèi)（長距離）的量子錯誤糾正通信使得量子互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)建成為了可能。下圖是可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的一種實(shí)現(xiàn)任意位置2個用戶糾纏對分發(fā)的方法。所有的網(wǎng)絡(luò)都需要管理層、控制層和數(shù)據(jù)層。在量子互聯(lián)網(wǎng)原型中，控制功能可以融入在量子數(shù)據(jù)層與網(wǎng)絡(luò)硬件動態(tài)交互的覆蓋網(wǎng)絡(luò)中?？刂茖涌梢酝ㄟ^SDN架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前主流的量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)是跳-跳（多跳）設(shè)計(jì)，架構(gòu)中量子通信設(shè)備的鄰居對可以進(jìn)行糾纏交換來傳播通信信道。量子互聯(lián)網(wǎng)還需要大量新的協(xié)議。量子互聯(lián)網(wǎng)需要大量的通信協(xié)議和管理策略。對這些協(xié)議和控制策略的研究也是非常必要的。

里程碑5：構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界多方參與的生態(tài)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)證明到可操作的基礎(chǔ)設(shè)施的過渡

為實(shí)現(xiàn)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施并實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)的原型，需要聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的協(xié)作。以下量子互聯(lián)網(wǎng)原型開發(fā)中的關(guān)鍵點(diǎn)可以受益于多方協(xié)作的生態(tài)：

• 使用當(dāng)前ESnet光同步技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)來配置復(fù)雜量子網(wǎng)絡(luò)的高層通信；

• 以更低的成本從商業(yè)合作方處購買或租用光基礎(chǔ)設(shè)施；

• 與光纖提供商協(xié)作確定大型光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖質(zhì)量、分布、拓?fù)浜蛽p耗等；

• 為可擴(kuò)展和部署的量子通信硬件創(chuàng)建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

• 與同步開發(fā)的空間光網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展；

• 促進(jìn)第一代量子通信在大公司的使用。