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本文作者: 付靜 | 2020-02-21 18:49 |
一直以來,美國政府都希望能在量子信息科學(QIS)領域發(fā)揮領導作用,從而釋放本國經(jīng)濟增長、技術進步和國家安全的巨大潛力。
近日,白宮發(fā)布了一份由國家量子協(xié)調辦公室(NQCO)撰寫的文件《美國量子網(wǎng)絡戰(zhàn)略構想》(A Strategic Vision for America's Quantum Networks),提出美國將匯聚聯(lián)邦機構、學術界和業(yè)界領袖的科研力量,促進量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展,確保量子信息科學惠及大眾。
美國將開辟量子互聯(lián)網(wǎng)
文件提到:
1969 年國防部高級研究計劃局(DARPA)演示了首個計算機網(wǎng)絡 ARPANET,推動了后來的互聯(lián)網(wǎng)誕生。那時候我們都沒想到,它會成為未來推動經(jīng)濟增長、提高生活質量的最強引擎。
因此,美國聯(lián)邦政府希望如同當年一樣,在推動早期量子信息科學研究、引導國家研發(fā)活動時發(fā)揮至關重要的作用。
根據(jù)文件,美國將探索如何構建量子互聯(lián)網(wǎng)——一個由量子計算機和其他量子設備組成的龐大網(wǎng)絡,從而催生新技術、加速互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、提高通信安全性,并在計算方面取得巨大進步。同時,通過在量子網(wǎng)絡方面走在世界前列,美國將改革國家和金融安全、患者隱私、藥物發(fā)現(xiàn)以及新材料的設計和制造,同時提高人類對宇宙的科學認識。
具體來講,戰(zhàn)略構想中提出了兩個目標(原文見下圖):
未來 5 年,美國企業(yè)、實驗室將展示實現(xiàn)量子網(wǎng)絡的基礎科學和關鍵技術,從量子互連、量子中繼器、量子存儲器、高通量量子信道,以及洲際天基糾纏分布。同時,為保證商業(yè)、科學、衛(wèi)生和國家安全利益,將查明這類系統(tǒng)的潛在影響和改進應用;
未來 20 年,量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路將利用網(wǎng)絡化量子設備,實現(xiàn)經(jīng)典技術無法實現(xiàn)的新功能,并增進對糾纏作用的理解。
同時,戰(zhàn)略構想也建議開展下列 6 個項目:
開發(fā)關鍵部件的技術和平臺,包括經(jīng)典源、量子受限探測器、超低損耗互連、空對地連接、經(jīng)典網(wǎng)絡和網(wǎng)絡安全協(xié)議以及規(guī)模成本;
將量子源和信號從光學和電信波段轉移到量子計算機相關波段(包括微波);
產生糾纏和超糾纏態(tài),傳輸、控制和測量量子態(tài);
開發(fā)與基于光學或電信波長的光子基量子位兼容的量子存儲器和小規(guī)模量子計算機;
探索小規(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)議和新的量子感測模態(tài);
探索地面和天基糾纏分布技術。
雷鋒網(wǎng)了解到,近年來美國在量子信息科學領域動作頻頻。
2018 年 6 月,白宮國家科技委員會(NSTC)成立量子信息科學子委員會,協(xié)調聯(lián)邦政府關于量子信息科學的研發(fā)活動。
2018 年 9 月,量子信息科學子委員會在白宮峰會上發(fā)布《國家量子信息科學戰(zhàn)略概覽》,提出 6 點建議,包括量子信息科學教育應從小學開始;同時,美國能源部宣布將成立多個國家級實驗室,并加大資金投入。
2018 年 10 月 26 日,美國初創(chuàng)公司 Quantum Xchange 表示,已接入沿美國東海岸運行的 500 英里光纖電纜,用以為美國創(chuàng)造首個州際、商用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡——至此,美國第一個大型量子互聯(lián)網(wǎng)項目已初具雛形。
2018 年 12 月,美國總統(tǒng) Donald Trump 簽署了《國家量子倡議法案》(NQIA),該法案提出,將實施為期 10 年的“國家量子倡議項目”,旨在通過增加聯(lián)邦投資與協(xié)調,加快量子信息科學的研發(fā),確保美國在量子信息科學技術應用領域持續(xù)領先地位。
雷鋒網(wǎng)了解到,該法案的三大目標為——用量子技術開發(fā)新一代傳感器、制造量子計算機、建立全球量子通信系統(tǒng)。
而基于《國家量子倡議法案》,美國政府做出的舉措大致包括:
白宮成立國家量子協(xié)調辦公室,以便統(tǒng)一聯(lián)邦研發(fā)活動;
白宮成立國家量子倡議咨詢委員會,確保來自量子界的觀點為聯(lián)邦提供信息;
美國國家科學基金會(NSF)發(fā)布“量子躍遷挑戰(zhàn)研究所(QLCI)”計劃指南,探索基礎量子科學和技術;
美國能源部(DOE)為建立新的量子信息科學研究中心提供資金,能源部國家實驗室的研究人員與學術界、機構(國家標準和技術研究所、國防部、國家安全局、宇航局等)、企業(yè)一起推進研發(fā)。
值得一提的是,近日發(fā)布的戰(zhàn)略構想正是基于上述《國家量子倡議法案》,并由該法案的協(xié)調機構、國家量子協(xié)調辦公室(NQCO)和國家科學和技術理事會量子信息科學小組委員會(SCQIS)共同制定,反映了此前對這一領域的深入投入——2018-2019 年的信息響應請求以及聯(lián)邦機構近期舉辦的研討會。
此外,2020 年 2 月 10 日,Donald Trump 在 2021 年度的政府財政預算提案中,也大幅削減了主要科學機構的研發(fā)預算,希望將更多資金投入到人工智能和量子信息科學當中。因此,美國政府對量子信息科學發(fā)展的重視可見一斑。
1900 年,德國物理學家、量子力學之父普朗特(Max Planck)創(chuàng)立量子理論。而 100 多年后,量子互聯(lián)網(wǎng)(雷鋒網(wǎng)注:指一種基于量子力學原理建立起來的新型互聯(lián)網(wǎng),可使絕對安全的網(wǎng)絡通信成為可能。由于對量子體的任何測量行為都是對量子體的一次修改,所以任何窺探量子信息的企圖都會留下馬腳。)方興未艾。
在中國,“量子之父”、中科院院士潘建偉的成績不少:
2016 年 11 月 5 日,潘建偉表示,中國計劃用 15 年左右構建天地一體的有量子通信安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng),即量子互聯(lián)網(wǎng);
2017 年 7 月,潘建偉及其中國科學技術大學的團隊稱,他們打破了量子隱形傳態(tài)的記錄,將一個光子的量子態(tài)傳輸?shù)骄嗟孛?1400公里的軌道衛(wèi)星上的光子上;
2017 年 9 月,潘建偉團隊利用上述衛(wèi)星向北京和維也納發(fā)射了光子,用來產生量子加密密鑰;
2020 年 1 月,潘建偉面對美國情報公司的污蔑,霸氣宣布:在光量子計算方面,我國已經(jīng)做到了相當于 48 個量子比特的結果,預計 2020 年能夠實現(xiàn) 50 個光子相干操縱,也能夠達到所謂的“量子優(yōu)越性”(谷歌稱之為“量子霸權”);
2020 年 2 月,潘建偉、包小輝團隊在實驗室中實現(xiàn)了長距離的量子糾纏,兩種實驗方案分別實現(xiàn)了 22 公里和 50 公里的量子糾纏,創(chuàng)造了世界紀錄。
而實際上,荷蘭也是量子互聯(lián)網(wǎng)建設領域的一大玩家——2018 年 6 月,由荷蘭代爾夫特理工大學和荷蘭應用科學研究機構(TNO)共同運作的 Intel 研發(fā)合作伙伴、量子科學頂尖學術機構 QuTech 成功使兩塊量子芯片產生量子糾纏。研究員開發(fā)了一組新型智能通信協(xié)議,可根據(jù)需要產生量子糾纏并提供保護。
基于此,當時不少人都認為荷蘭有望率先創(chuàng)建世界上首個量子互聯(lián)網(wǎng)。
綜合各國表現(xiàn),可以看出白宮最新發(fā)布的《美國量子網(wǎng)絡戰(zhàn)略構想》無疑會使得全球量子互聯(lián)網(wǎng)競爭更加激烈。那么究竟誰會率先建成量子互聯(lián)網(wǎng),我們拭目以待。
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