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美国能源部“量子互联网”发展的战略蓝图
2020/8/10 6:12:29 | 浏览:240 | 评论:0

以下内容译自美国能源部网站:

https://www.energy.gov/articles/us-department-energy-unveils-blueprint-quantum-internet-launch-future-quantum-internet 

全国协力建设量子网络,引领通信新时代

Nationwide Effort to Build Quantum Networks 

and Usher in New Era of Communications 

(芝加哥,伊利诺伊州) 今天(指当地时间7月23日),在芝加哥大学召开的新闻发布会上,美国能源部公布了一份报告,该报告规划了美国量子互联网发展的战略蓝图,提出要确保美国处于全球量子竞赛的前列,引领通信新时代。该报告为确保《国家量子倡议法案》(于2018年12月由特朗普总统签署而成为法律文件)的顺利施行,提供了行动路线。

CHICAGO, IL – In a press conference today at the University of Chicago, the U.S. Department of Energy(DOE)unveiled a report that lays out a blueprint strategy for the development of a national quantum internet, bringing the United States to the forefront of the global quantum race and ushering in a new era of communications. This report provides a pathway to ensure the development of the National Quantum Initiative Act, which was signed into law by President Trump in December of 2018.

全世界正在达成共识,即认为基于量子力学的通信系统是21世纪最重要的技术前沿之一。如今,科学家们相信,在未来十年内,这种通信系统原型机将得以实现。

Around the world, consensus is building that a system to communicate using quantum mechanics represents one of the most important technological frontiers of the 21st century. Scientists now believe that the construction of a prototype will be within reach over the next decade.

今年2月,来自美国能源部的各个国家实验室、大学以及工业界的人士相聚纽约,制定了国家量子互联网的战略蓝图:阐述了需要完成的基本研究内容,描述了工程和设计上的瓶颈,并设定了近期目标。

In February of this year, DOE National Laboratories, universities, and industry met in New York City to develop the blueprint strategy of a national quantum internet, laying out the essential research to be accomplished, describing the engineering and design barriers, and setting near-term goals.

“能源部为在国家量子互联网的发展中所发挥的重要作用感到自豪”,美国能源部长Dan Brouillette说,“通过构建这种新兴技术,美国必将继续保持和扩大量子领域的能力。”

“The Department of Energy is proud to play an instrumental role in the development of the national quantum internet,” said U.S. Secretary of Energy Dan Brouillette. “By constructing this new and emerging technology, the United States continues with its commitment to maintain and expand our quantum capabilities.”

美国能源部的17个国家实验室将成为未来量子互联网的支柱。量子互联网将基于量子力学定律来更加安全地控制和传输信息。量子互联网目前处于发展的初始阶段,它将成为一个安全的通信网络,并对科学、工业以及国家安全的关键领域产生深远影响。

DOE’s 17 National Laboratories will serve as the backbone of the coming quantum internet, which will rely on the laws of quantum mechanics to control and transmit information more securely than ever before. Currently in its initial stages of development, the quantum internet could become a secure communications network and have a profound impact on areas critical to science, industry, and national security.

在芝加哥地区,建立这样一个互联网的关键步骤已经在进行中了,那里已经成为全球领先的量子研究中心之一。今年2月,来自能源部阿贡国家实验室(位于伊利诺斯州莱蒙特)和芝加哥大学的科学家们在芝加哥郊区成功建立了一个52英里的纠缠光子“量子环”,这是美国最长的陆基量子网络之一。该网络很快将与能源部费米实验室(位于伊利诺斯州巴达维亚)连接,建立起一个80英里的三节点试验平台。

Crucial steps toward building such an internet are already underway in the Chicago region, which has become one of the leading global hubs for quantum research. In February of this year, scientists from DOE’s Argonne National Laboratory in Lemont, Illinois, and the University of Chicago entangled photons across a 52-mile “quantum loop” in the Chicago suburbs, successfully establishing one of the longest land-based quantum networks in the nation. That network will soon be connected to DOE’s Fermilab in Batavia, Illinois, establishing a three-node, 80-mile testbed.

“芝加哥大学、阿贡国家实验室和费米国家实验室联合,在人才和技术上具有领导地位,使芝加哥在量子信息技术的全球竞争中处于中心地位,”芝加哥大学校长Robert J. Zimmer说,“这项工作将定义和建立全新的研究领域,并势必带来技术应用的新前沿,从而提高世界各地许多人们的生活质量,使我们的城市、州和国家具有长期竞争力。”

“The combined intellectual and technological leadership of the University of Chicago, Argonne, and Fermilab has given Chicago a central role in the global competition to develop quantum information technologies,” said Robert J. Zimmer, president of the University of Chicago. “This work entails defining and building entirely new fields of study, and with them, new frontiers for technological applications that can improve the quality of life for many around the world and support the long-term competitiveness of our city, state, and nation.”

“在加速科技进步以促进美国繁荣和安全方面,阿贡实验室、费米实验室和芝加哥大学有着悠久的合作历史”,阿贡实验室主任Paul Kearns说,“在应对建立国家量子网络的挑战上,我们将延续传统,扩大合作,充分发挥全国各地科学家和工程师的巨大力量。”

 “Argonne, Fermilab, and the University of Chicago have a long history of working together to accelerate technology that drives U.S. prosperity and security,” said Argonne Director Paul Kearns. “We continue that tradition by tackling the challenges of establishing a national quantum internet, expanding our collaboration to tap into the vast power of American scientists and engineers around the country.”

“几十年后,当我们回望量子互联网的诞生时,我们可以说最初的连接点就在芝加哥——在费米实验室、阿贡实验室和芝加哥大学”,费米实验室主任Nigel Lockyer说,“作为现有科学生态系统的一部分,能源部的国家实验室是最适合来促进这种整合的。”

“Decades from now, when we look back to the beginnings of the quantum internet, we'll be able to say that the original nexus points were here in Chicago—at Fermilab, Argonne, and the University of Chicago,” said Nigel Lockyer, director of Fermilab. “As part of an existing scientific ecosystem, the DOE National Laboratories are in the best position to facilitate this integration.”

一系列独特的能力

A range of unique abilities

量子传输的一个特征是,信息传递过程中,窃听是极其困难的。科学家们计划利用这一特性来建立一个几乎不可破解的网络。早期用户可能包括银行和医疗服务等行业,以及国家安全和飞机通信。最终,量子网络技术在手机中的应用可能会对全世界每一个人的生活产生广泛影响。

One of the hallmarks of quantum transmissions is that they are exceedingly difficult to eavesdrop on as information passes between locations. Scientists plan to use that trait to make virtually unhackable networks. Early adopters could include industries such as banking and health services, with applications for national security and aircraft communications. Eventually, the use of quantum networking technology in mobile phones could have broad impacts on the lives of individuals around the world.

科学家们也正在探索量子互联网如何加速海量数据的交换。该报告称,如果网络可以进行组合和扩展,那么社会可能就处在数据通信突破的风口浪尖。

Scientists are also exploring how the quantum internet could expedite the exchange of vast amounts of data. If the components can be combined and scaled, society may be at the cusp of a breakthrough in data communication, according to the report.

最后,创建超灵敏量子传感器网络可以让工程师能更好地监测和预测地震——一个长期的、难以企及的目标,或者是寻找地下的石油、天然气或矿产。这种传感器还可以应用于医疗健康和成像领域。

Finally, creating networks of ultra-sensitive quantum sensors could allow engineers to better monitor and predict earthquakes—a longtime and elusive goal—or to search for underground deposits of oil, gas, or minerals. Such sensors could also have applications in health care and imaging.

多实验室、多机构的共同努力

A multi-lab, multi-institution effort

要创建一个成熟的量子互联网原型,需要多方的密切协调,包括能源部、国家科学基金委、国防部、国家标准与技术研究所、国家安全局、NASA等联邦机构,以及国家实验室、学术研究所和工业界。

Creating a full-fledged prototype of a quantum internet will require intense coordination among U.S. Federal agencies—including DOE, the National Science Foundation, the Department of Defense, the National Institute for Standards and Technology, the National Security Agency, and NASA—along with National Laboratories, academic institutions, and industry.

该报告列出了关键的研究内容,包括:构建并集成量子网络设备、量子信息的保持和路由,纠错。然后,要把全国性的网络付诸实施,有四个关键的里程碑:现有光纤网络上安全量子协议的验证;跨越校园或城市发送纠缠信息;扩展网络,实现城市间的连接;最后,通过量子中继增强信号,实现州与州间的量子网络。

The report lays out crucial research objectives, including building and then integrating quantum networking devices, perpetuating and routing quantum information, and correcting errors. Then, to put the nationwide network into place, there are four key milestones:verify secure quantum protocols over existing fiber networks, send entangled information across campuses or cities, expand the networks between cities, and finally expand between states, using quantum “repeaters” to amplify signals.

“量子网络的基础取决于我们在原子尺度上精确合成和操纵物质的能力,包括单光子的控制”,芝加哥大学普利兹克分子工程学院的分子工程学Liew Family讲席教授、阿贡国家实验室高级科学家、Chicago Quantum Exchange主任David Awschalom说,“我们的国家实验室拥有世界一流的设备,可以对材料进行亚原子分辨率的成像,还有最先进的超级计算机来模拟材料的行为。这些强大的资源对于加速量子信息科学和工程的进展,以及在与学术和企业伙伴的合作中领导这一快速发展的领域来说至关重要。”

“The foundation of quantum networks rests on our ability to precisely synthesize and manipulate matter at the atomic scale, including the control of single photons,” said David Awschalom, Liew Family Professor in Molecular Engineering at the University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering, senior scientist at Argonne National Laboratory, and director of the Chicago Quantum Exchange. “Our National Laboratories house world-class facilities to image materials with subatomic resolution and state-of-the-art supercomputers to model their behavior. These powerful resources are critical to accelerating progress in quantum information science and engineering, and to leading this rapidly evolving field in collaboration with academic and corporate partners.”

“除了与芝加哥大学的合作,费米实验室还与阿贡实验室、加州理工学院、西北大学以及科技新兴公司合作开发架构,并逐步部署和连接横跨芝加哥市的量子通信节点。很快,与这第二组合作者一起,我们将能在一个大都市网络中远距离传输数据”,费米实验室量子项目领头人Panagiotis Spentzouris说,“这份蓝图很重要,它告诉我们如何在全国范围内开展这项工作。”

”In addition to our collaboration with the University of Chicago, Fermilab is working with Argonne, Caltech, Northwestern University and tech startups to develop the architecture and gradually deploy and connect quantum communication nodes across the city of Chicago. Before long, with this second group of collaborators, we'll be teleporting data across a metropolitan network,” said Panagiotis Spentzouris, head of quantum programs at Fermilab. “This blueprint is important for telling us how we build this out nationwide.”

其他国家实验室也在推动量子网络和相关技术的发展。例如,石溪大学和布鲁克海文国家实验室与总部设在劳伦斯伯克利国家实验室的能源部Energy Sciences Network合作,已经建立了一个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。其他研究小组则专注于开发信息高度安全的量子密码系统。

Other National Laboratories are also driving advances in quantum networking and related technologies. For example, Stony Brook University and Brookhaven National Laboratory, working with the DOE’s Energy Sciences Network headquartered at Lawrence Berkeley National Laboratory, have established an 80-mile quantum network testbed and are actively expanding it in New York State and at Oak Ridge and Los Alamos National Laboratories. Other research groups are focused on developing a quantum cryptography system with highly secured information.

量子互联网到底是什么?中美竞争走到了哪一步?

2020年7月23日,美国能源部公布了一份报告,规划了美国“量子互联网”发展的战略蓝图。各媒体对此极为关切,纷纷报道。而对于大家普遍关心、不甚明了的问题(例如“什么是量子互联网”、“量子互联网与我国已经建成的京沪干线、墨子号卫星有什么关系”、“量子互联网是要取代现在的互联网吗,两者可以共存吗”、“美国之外,其他国家有类似规划吗”、“我国已经开展了哪些工作,未来有何规划”),“墨子沙龙”请教了相关专家,与大家分享。

什么是量子互联网?

中国量子信息领域的开拓者和领头人潘建伟院士曾这样解释量子互联网:

众所周知,互联网是用于传递、处理和储存经典信息的全球性系统。量子互联网则可以对量子信息进行同样的传递、处理和存储。量子互联网首要的实际任务是以一种无条件安全的方式进行全球性的密钥共享(也就是说,量子信息是完全防篡改的)。量子比特和量子纠缠(量子比特互相关联的状态)将是量子互联网的基本资源。这一系统将实现众多量子信息任务,包括任意节点之间的量子隐形传态、分布式量子计算和高精度量子测量。

2018年,《科学》发表文章《Quantum internet:A vision for the road ahead》,描述了量子通信网络的发展蓝图。量子互联网可以理解为量子通信技术支撑的一种产生和使用量子资源的新型功能网络。它不是对现有互联网的替代,而是为互联网加上新功能的新型基础设施。量子密钥分发网络是量子互联网的初级形态,其高级形态将是全量子网络,是用量子隐形传态或量子纠缠交换技术作为链接,将用户、量子计算、量子传感等节点连为一体,产生、传输、使用量子资源的一个网络。

量子互联网得需要多少钱才能够建成?

量子互联网的建设需要巨大的投入,不仅是金钱,还有时间与精力。例如,欧盟在量子技术旗舰计划的支持下,计划在10年内建成量子互联网,预计未来10年,在地面量子通信投入约3.5亿欧元,在天基量子通信投入约11亿欧元,具体多少没有公开信息。2017年9月,俄罗斯国家开发银行在访问中国科大上海研究院时表示,计划投资约50亿人民币专项资金用于支持俄罗斯量子中心开展量子通信研究,并计划借鉴京沪干线经验,在俄罗斯建设量子保密通信网络基础设施,先期将建设莫斯科到圣彼得堡的线路。美国国家量子计划法案于2018年12月正式签署颁布,主要聚焦量子通信、量子计算机和超精密量子传感器三大领域,计划投资约13亿美元,集合国家力量统一协调量子技术和产业发展。

美国国家量子计划的主要内容

在美国国家量子计划法案的支持下,2020年2月,白宫国家量子协调办公室发布了“美国量子网络的战略远景”的报告,正式将发展量子互联网提上日程。报告中对美国量子网络发展的中期和远景目标进行了描述。中期年目标是,美国的公司和实验室将展示支持量子网络的基础科学和关键技术,包括量子互连、量子中继器、量子存储器、高通量量子信道以及基于自由空间的洲际纠缠分发等。同时,将确定此类系统的潜在影响和深层次应用,特别是在商业、科学、健康和国家安全方面的增益。远景目标是,实现量子互联网,并利用联网的量子设备实现经典技术无法实现的新功能,同时增进对纠缠作用的理解。报告同时认为量子计算和网络技术目前处于发展初期,通过建立量子互联网将促进新技术和当前互联网的发展,提高通信的安全性,并使计算技术取得巨大进步。

另外,在美国能源部发布的“从远距离纠缠到建立全国性量子互联网”的报告中提出了需要优先发展的研究方向:(1)为量子互联网提供基本的构建模块;(2)整合集成多个量子网络设备;(3)实现量子纠缠的中继、交换和路由;(4)实现能容错的网络功能。报告还提出了5个里程碑,即5个阶段性目标:(1)在光纤网络上完成量子安全协议的验证;(2)实现校园之间和城市内的纠缠分发;(3)通过纠缠交换实现城际量子通信;(4)通过量子中继,实现州际量子纠缠分发;(5)建立国家实验室、学术界和产业界之间的多方生态系统,由原型演示迈向运营基础设施阶段。

其他国家的量子规划

欧盟2016年5月提出“欧洲量子技术旗舰计划”,该计划总投资约10亿欧元,主要目标之一是计划10年左右建成量子互联网,具体是:3年左右建设低成本量子城域网并建立量子通信设备和系统的认证及标准;6年左右利用可信中继、高空平台或卫星实现城际量子保密通信网络建设;10年左右建成量子互联网。

与之相应,欧洲主要国家也出台了相关计划,比如2018年9月,德国提出了“量子技术——从基础到市场”框架计划,计划于2022年前投入6.5亿欧元,推动德国量子技术从基础研究向市场化应用的转变。2018年11月,英国在国家量子技术计划第一阶段实施的基础上,再次宣布了规模2.35亿英镑的第二阶段拨款计划(两阶段总投入超过5亿英镑),旨在进一步促进量子技术研究向应用领域转化,并刺激形成量子计算、量子通信等新兴产业。

此外,荷兰、加拿大、日本、韩国、俄罗斯等国也在加紧进行战略部署和量子网络建设。

我国有哪些政策,正在开展的工作有哪些?

近年来我国在量子通信领域取得了世界瞩目的成就,从世界首条远距离量子通信“京沪干线”到全球首颗量子通信实验卫星“墨子号”,在该领域实现了从跟跑到领跑的转变。从国家高层到各地方政府,都给予量子通信高度的关注和推动。

在国家顶层设计和战略部署下,2018年2月,国家发改委正式批复了新一代信息基础设施工程“国家广域量子保密通信骨干网络项目”,该项目旨在通过5-10年的努力,在全球率先建成面向一带一路、服务国家战略需求、规模最大、技术最先进的地面总里程约35000公里的星地一体量子网络。

值得一提的是,京沪干线的建设逐步带动了整个产业链的发展,特别是在核心元器件国产化和相关标准制定方面,目前,单光子探测核心芯片已经国产化。这里要特别提一下的是,美国实际上对中国发展量子密钥分发技术一直是提防的,在这种背景下,国产化工作就显得特别有意义。

中国的量子通信和国际水平相比如何?

我国与国际上的技术强国,发展量子通信的技术路线总体上是一致的。现阶段都是发展基于可信中继的量子通信网络,同时也积极储备量子互联网后续阶段的基础技术,从网络建设规划、现有应用模式、基础技术和应用标准国际合作等方面可以看出共识。可能也就在具体技术能力上有些先后之分,这个是和技术积累、资源条件等因素相关的。

对于量子密钥分发技术,我国的基础技术水平、工程技术成熟度目前处于国际引领地位。量子密钥分发在光纤中已经能做到几百公里,用卫星可以做到上千公里,这两个记录目前都是我国保持的:一个是今年实现了光纤最远安全距离做到509公里,另一个就是2017年“墨子号”做到的星地1200公里,这是中国科学家的贡献,也是中国量子通信领先世界的标志。“墨子号”和“京沪干线”的成功实施,构建了国际上首个天地一体的广域量子通信网络雏形,这也为未来的量子互联网奠定了设施基础。

对于量子互联网后续阶段的技术,我国的研究也处于前沿地位。纠缠交换和纠缠纯化是量子中继的核心技术,它们由潘建伟等人分别在1998和2003年首次实验实现。量子存储方面,50公里的量子存储最远纠缠距离由潘建伟团队创造和保持。欧美有一些光子-固态量子比特隐形传态、无漏洞纠缠检验(同时满足高效率量子检测和分发距离要求)前沿实验成果;我国在多维量子隐形传态、高效量子存储等实验上成果优异。近日MIT科技评论提出未来十大技术,量子防黑客互联网就是之一,其中报道的计划是5-6年完成基于量子中继器的网络化纠缠分发实验,支持无条件安全通信,就是由荷兰代尔夫特大学和中国科技大学合作进行。

量子通信下一步的发展包括实用技术增强和基础技术探索两个大方向。实用技术增强方面,量子密钥分发是量子通信的主要且近期唯一可实用的技术,如何降低量子密钥分发的成本、使量子密钥分发设备小型化是未来的努力方向;基础技术探索方面,将致力于实现量子互联网后续阶段的量子纠缠存储与中继技术的突破。潘建伟教授认为:“互联网的发明将人类带入信息时代,量子互联网则将提供另一个能够真正改变世界的机会。

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