美國力推世界首個量子互聯(lián)網的啟示

朱帥

今年2月，美國特朗普政府向國會提交了2021財年預算申請，提出要加大對量子信息科學（QIS）等新興科技領域的投資。此前，隸屬于美國白宮科技政策辦公室（OSTP）的“國家量子協(xié)調辦公室”（NQCO）發(fā)布了《美國量子網絡的戰(zhàn)略愿景》，針對開發(fā)“世界首個量子互聯(lián)網”提出具體建議。賽迪智庫世界工業(yè)研究所認為，美國量子網絡發(fā)展戰(zhàn)略對我國在該領域制定相關政策具有一定的借鑒意義。

美國致力于開發(fā)

“世界首個量子互聯(lián)網”

提出兩大發(fā)展目標。其一，在未來五年，美國公司和實驗室將展示使量子網絡成為可能的基礎科學和關鍵技術。比如，從量子互連、量子中繼器和量子存儲器到高通量量子通道，以及跨洲距離的基于空間的糾纏分布。同時，還將確定此類系統(tǒng)的潛在影響和改進應用，以獲取商業(yè)、科學、健康和國家安全利益。其二，在未來二十年，量子互聯(lián)網鏈路將利用網絡化量子設備來實現(xiàn)經典技術無法實現(xiàn)的新功能，同時促進對糾纏所起作用的理解。

確立六大技術領域。從全球來看，當前，量子計算和網絡技術仍處于研發(fā)的早期階段。此前發(fā)布的《美國量子網絡的戰(zhàn)略愿景》，聚焦美國的研發(fā)工作，推進量子互聯(lián)網基礎的發(fā)展，為重點研究活動推薦了六個具體技術領域：一是關鍵部件的技術和平臺開發(fā)，包括經典源、量子有限探測器、超低損耗互連、空間對地連接、經典網絡和網絡安全協(xié)議以及擴展成本。二是將量子源和信號從光學和電信領域轉移到量子計算機相關領域，包括微波。三是糾纏和超糾纏態(tài)的產生，量子態(tài)的傳輸、控制和測量。四是開發(fā)與光學或電信波長中基于光子的量子比特兼容的量子存儲器和小規(guī)模量子計算機。五是探索用于小規(guī)模和大規(guī)模量子處理器之間遠程糾纏的新算法和應用，包括量子糾錯、量子云計算協(xié)議和新的量子傳感模式。六是探索用于地面和天基糾纏分布的技術。

加大資金支持力度。2021財年聯(lián)邦政府預算計劃公布的預算包括聯(lián)邦研發(fā)投資1422億美元，比2020財年預算增長6%。2021財年預算優(yōu)先考慮面向未來的產業(yè)，大力支持美國聯(lián)邦政府在量子信息科學（QIS）領域的研發(fā)資金。與2020財年預算相比，關鍵機構的總投資增加了50%以上，其中，撥給國家標準與技術研究院（NIST）、國家科學基金會（NSF）、能源部（DOE）三個機構的量子研發(fā)經費從2020財年的4.3億美元增加至5億美元。特朗普政府的目標是確保量子信息科學的研發(fā)在2022年前翻一番。

相比2020財年，美國能源部科學辦公室的量子信息科學研究投入增加7000萬美元至2.37億美元，用于研究量子系統(tǒng)行為，應對超出當前計算機技術能力的科學挑戰(zhàn)，以及探索性研究量子互聯(lián)網。其中，支持量子互聯(lián)網早期研究的投入達2500萬美元，目標是開發(fā)“世界首個量子互聯(lián)網”。特朗普政府認為，量子互聯(lián)網的發(fā)展有望創(chuàng)造新技術，提高通信的安全性，并在計算方面取得巨大進展。

量子互聯(lián)網解析

量子計算具有廣闊的應用場景。一是網絡安全。量子計算機可以運用量子加密技術保護數(shù)據(jù)免受攻擊。二是藥品研發(fā)。量子模擬可將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%～10%，并縮短15%～20%的研發(fā)時間;同時，更優(yōu)的分子設計將提升藥物審批效率。三是金融。量子計算可以更好地確定有吸引力的投資組合，更有效地識別關鍵的欺詐模式。量子計算機可并行執(zhí)行多個蒙特卡洛模擬，更有效地優(yōu)化交易。四是農業(yè)。量子計算機能夠快速分析化學催化過程，并提出最佳的催化劑組合來產生肥料的主要成分氨。

美國旨在搶占量子互聯(lián)網的全球領導地位。量子互聯(lián)網是一個由量子計算機和其他量子設備組成的龐大網絡。探索如何建立量子互聯(lián)網將促進新技術發(fā)展，加速當今互聯(lián)網發(fā)展，提高通信的安全性，并使計算技術取得巨大進步。目前，包括中國、英國、德國等在內的國家和地區(qū)圍繞量子互聯(lián)網紛紛展開科研攻關。美國也不甘示弱，試圖通過發(fā)布國家層面的戰(zhàn)略以搶占創(chuàng)新制高點，確保成為該領域的全球領導者。此次發(fā)布的戰(zhàn)略不僅提出具體的短期和長期目標，而且列出了詳細的技術領域，具有前瞻性和指導性。

美國在量子互聯(lián)網領域已具備一定的基礎。近些年來，美國在量子互聯(lián)網領域的投入已取得早期收獲，為后續(xù)實現(xiàn)重要突破奠定了基礎，也使該戰(zhàn)略具備可行性。2018年10月，初創(chuàng)公司Quantum Xchange通過接入沿美國東海岸運行的500英里光纖電纜，為美國創(chuàng)造了首個洲際、商用量子密鑰分發(fā)網絡。今年3月，哈佛大學和麻省理工學院研究人員通過用一個可捕獲、存儲和糾纏量子信息比特的原型量子節(jié)點校正信號丟失。這項研究填補了通向實用量子互聯(lián)網的缺失環(huán)節(jié)，也是長距離量子網絡發(fā)展的重要一步。

五點啟示

持續(xù)跟蹤國際前沿技術。廣泛進行國際交流合作，通過組織和參與國際會議、與國際同行探討，跟蹤量子互聯(lián)網領域的國際發(fā)展前沿，探索和把握前瞻性科研方向。

進一步做好量子互聯(lián)網的基礎研究工作。通過自然科學基金、科技重大專項、重點研發(fā)計劃、戰(zhàn)略性先導科技專項等對量子信息研究給予支持;推動量子信息科學國家實驗室建設;推動量子信息技術國際與國內標準化研究。

推動人才引進。實施量子互聯(lián)網專項引進行動，從全球引進頂尖人才;聘請國內外量子互聯(lián)網領域高水平的專家，組建專家團;鼓勵各地和高校企業(yè)在海外設立引才工作站。

強化人才培育。支持高校建設量子互聯(lián)網相關學科;加大高校碩士博士研究生培養(yǎng);建設產教結合的量子互聯(lián)網人才培訓基地。

鼓勵開展相關應用試點。鼓勵各地和高校企業(yè)開展量子保密通信應用評估與產業(yè)研究，優(yōu)先在政務、金融、通信、醫(yī)藥等領域開展量子信息科學創(chuàng)新試點;中央及各級財政提供資金支持，并進行階段性考核。