量子互联网
量子互联网（英语：Quantum Internet），采用固有量子技术的任何计算机系统或通信设备网络。目前，全球正在加速推进研究开发各种量子技术，包括量子计算机和量子传感器。量子技术创新也被称为第二次量子革命，其设想了许多量子计算机相互连接并相互交换“量子数据”的未来世界。在那个世界，“量子互联网”将为传输量子数据奠定基础。量子互联网将是量子技术时代真正到来时的计算机网络基础。
量子互联网定义
目前，对于“量子互联网”尚没有统一定义。美国国防部认为，量子互联网是指采用固有量子技术的任何计算机系统或通信设备网络。量子互联网对于量子计算机之间的通信是必须，但它不一定是指独立于当前互联网的新互联网，可以是与现有互联网交织在一起的新兴基础设施，比如在现有互联网上添加量子组件；允许量子计算机将来集成到现有的互联网中等。日本产学官合作研究开发联盟量子互联网特别工作组认为，量子互联网是一种交换量子数据的技术，与现有的数字通信基础，如互联网，有着根本差异。一旦量子互联网建立并正确运行，就能实现信息的广域分布式处理，这是现在的互联网无法做到的。另有来自网络上的观点认为，量子互联网是一个网络，它让量子设备在利用量子力学定律的环境中交换一些信息。从理论上讲，这将为量子互联网提供前所未有的能力，而这些功能是当今的 Web 应用程序无法实现的。
这些定义的共同之处：
① 量子互联网是利用量子力学定律，进行量子信息（量子 bit）交换的信息网络，与经典（现有的）互联网有着本质的不同。② 量子互联网不会取代经典互联网，而是对其的补充。
量子互联网的组成与必要技术
量子互联网由三个基本的量子硬件要素组成。首先，需要一个支持量子比特传输的物理连接，即量子通道。例如标准电信光纤，因为它们目前用于传输经典光。其次，需要一种方式来扩展传输距离，这就是量子中继器。由于量子通道本质上是有损耗的，这种损耗对于应用有极大影响。为了到达更长的传输距离，必须在沿光纤连接以一定的间隔放置这种中继器。理论上，量子比特可以在在任意长距离上传输。未来，强大的中继器也可能兼作量子网络中的长距 离路由器。第三个硬件要素是终端节点，即连接到量子互联网的量子处理器。这些量子处理器可以是极其简单的节点，如准备和测量单个量子比特节点，也可以是大型量子计算机。终端节点本身也可以充当量子中继器。由于量子互联网并不意味着取代经典通信，而是用量子通信来补充它，因此，所有节点假设 都可以进行经典通信。例如，通过经典互联网，交换控制信息。
根据《美国量子网络战略远景》报告，下面这些量子技术及物理设备是实现量子互联网的先决条件：① 量子探测器，超低损耗的光通道，空对地连接及经典的网络和网络安全协议。② 纠缠态和超纠缠态以及量子态的传输，控制和测量。③ 用于量子源和传统源的信号转换器。④ 更可靠的量子存储缓冲器和小型量子计算机。⑤ 使用量子中继器进行长距离纠缠分布（地面和空间），允许在小规模和大规模量子处理器之间使用基于纠缠的协议。
量子互联网发展方式、应用及现有成果
目前，量子互联网发展的实际方式是完全未知的，但德国学者最早总结了量子互联网发展模型，提供了每个阶段的明确定义，包括已知应用的基准与示例，并概述了实现这些阶段所需的技术进步。在这个模型中，每个阶段的特点是以更大的技术难度为代价，达到增加功能的目的。
美国能源部在 2020 年也提出了量子互联网的发展蓝图，根据五个关键里程碑，标记美国在在建设第一个全国性量子互联网的道路上取得的进展。由于美 国是量子技术研发的最先进的国家，因此这些进展也可视为目前量子互联网研发所达到的水平。
里程碑 1：光纤网络安全量子协议的验证
在准备和测量量子网络中，最终用户接收并测量量子态，但不一定涉及纠缠。在这种网络中要实现的应用包括不受信任的节点之间的交换，这些节点对 时序波动、量子比特丢失和错误的容忍度（相对较）更高。
该类量子网络的一个例子已经在田纳西州 Chattanooga 地区，使用量子加密系统组合进行了演示。这项演示是由橡树岭和洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的。 在这个演示中，这些系统通过可信节点相连接。该类网络一个令人感兴趣的应用是通过安全通信保护关键基础设施，例如电网。
里程碑 2：校际和城际纠缠分布
在纠缠分布类型的量子网络中，任何两个最终用户都可以获得纠缠态，需要以确定性或预示的方式端到端创建量子纠缠，以及局部测量。这些网络通过 支持实现与设备无关的协议（例如与设备无关的量子密钥分发和双方加密）来提供功能。对波动、损失、误差的容错低于前一类（里程碑 1）。存在经典网络和量子网络的初始集成。
该类网络的一个例子是美国伊利诺伊州快车量子网络（IEQNET）。这个网络由地理位置分散在芝加哥大都市区的多个站点组成，这些站点包括西北大学（NU）、StarLight（一个位于芝加哥北湖岸大道 750 号的西北通信交换点）、费米实验室（FNAL）、和 Argonne 国家实验室（ANL）。每个站点都有一个或多个量子节点（即 Q 节点），可以执行量子通信和测量。Q 节点通过光纤连接到支持SDN 的光交换机。光开关进一步相互连接，形成网状全光网络。IEQNET 目前包含两个逻辑上独立的量子局域网（Q-LAN）：Q-LAN1 和 Q-LAN2，并计划将ANL 站点发展为 Q-LAN3。Q-LAN 通过 ESnet（美国能源部建立的高速计算机网络） 中建立的专用信道，或通过费米实验室和 StarLight 之间的其他暗光纤连接。这种网络的直接应用领域将是小规模传感器网络。
里程碑 3：使用纠缠交换的城际量子通信
在量子存储网络这类量子网络中，任何两个最终用户（节点）都可以获取和存储纠缠的量子比特，并将量子信息传送给彼此。终端节点可以对它们接收到的量子比特执行测量和操作。最低内存存储要求由往返经典通信的时间决定。
这个量子网络阶段支持有限的云量子计算，因为它允许能够准备和测量单个量子比特的节点连接到远程量子计算服务器。为了保证全国性量子互联网建设的 成功，量子存储网络第一代原型要确定领先策略和解决任何低效问题。为了能够对组件进行全面评估和初始阶段集成测试，需要一个或多个早期测试平台， 形成 Q-LAN。
对 Brookhaven Lab（布鲁克海文实验室）–SBU（纽约州立大学石溪分校）–ESnet 合作成果的扩展计划就是这类量子网络的实例。Brookhaven Lab–SBU –ESnet 的合作在 2019 年 4 月实现了美国最长距离纠缠分布实验，覆盖了约20km。其中的室温量子网络原型是测试平台的关键，由 SBU 的量子信息技术 （QIT）实验室开发，连接多个量子存储器和量子比特源。综合各项研究成果，Brookhaven Lab–SBU–ESnet团队设计和实施连接Brookhaven Lab和SBU多个 地点的量子网络原型。而且通过使用量子存储器来增强飞行光子对偏振纠缠的交换，实现了长距离分配纠缠而没有有害损耗的量子传输。
目前该研究团队已经在纽约长岛，利用ESnet和Crown Castle光纤基础设施，建立了一个量子网络，其中包括连接 Brookhaven 实验室、SBU 和 SBU 校园内 的“无线和信息技术卓越中心”，光纤长度约 120 km。下一步计划是将这个现有的量子网络与纽约市的“曼哈顿登陆”（MANLAN）连接起来，这是一个几个主要网络汇聚的高性能交换点。计划中长岛量子网络扩展到纽约市，将使用一系列量子中继器、三个纠缠源、六个量子存储器和两个纠缠交换站，预计这将成为世界上第一个此类量子中继器网络，同时也为全国范围的量子保护信息交换网络奠定基础。
石溪大学将与布鲁克海文国家实验室(BNL)合作，建造一个耗资1300万美元的新量子互联网试验台。长岛量子互联网试验台将是一个由五个节点组成的网络，这些节点使用商用光纤进行物理连接。它将由位于石溪的长岛量子互联网中心与BNL合作监督。该中心将催生新技术，以加速当今互联网的功能，提高通信的安全性，并实现计算领域的巨大进步。它将成长为包括其他纽约州大学、实验室和行业合作伙伴，其研究团队致力于研究和实施量子技术在电信和互联网背景下的新应用。该项目将把长岛打造成全球量子互联网技术发展中心，汇集研究人员、教育工作者和投资者，共同努力加速量子互联网技术的商业化。
“建立一个全面的基于量子的全球通信网络，即量子互联网，有可能成为21世纪最重要和最具变革性的技术进步之一，”布鲁克海文国家实验室主任Doon Gibbs说，“来自纽约州长岛投资基金的这项资助将帮助布鲁克海文实验室和石溪大学提供研究人员所需的工具和资金，使大规模量子纠缠分发网络成为现实。”
里程碑 4：使用量子中继器的州际量子纠缠分布
在这一阶段，经典和量子网络技术已经集成。量子中继器的成功串联和大陆尺度距离上的损耗和操作误差的量子纠错通信，将为覆盖更远距离的运营纠缠分配网络铺平道路，从而能够创建量子互联网。SBU 和 Brookhaven 实验室领导的一项位于纽约的多机构项目探索了如何设计和构建基础设施，以建立一个遍布全州的首个量子互联网原型。
里程碑 5：在实验室、学术界和工业界之间建立多机构生态系统，从示范基础设施过渡到运营基础设施
为了实施这种量子通信基础设施并将其实现为量子互联网的完整原型，联邦机构之间的协调与合作至关重要。具有大量量子网络组合的机构以及在该领域具有关键任务需求的机构（包括美国能源部，NSF，国家标准与技术研究所，国防部，国家安全局，美国国家航空航天局（NASA）和美国国立卫生研究院）之间的互补基础设施的交互和集成尤其重要。在寻求这些联盟的同时，应通过与量子通信初创公司和大型光通信公司的密切合作来鼓励新方向和衍生应用的关键机会。早期采用者可以提供有价值的设计指标。
主要国家大型量子互联网研发项目和优势比较
一直以来，量子互联网的研发是围绕单个要素技术进行的，但近年来，一些在量子领域深耕并取得重要成果的国家，正在启动以“构筑量子互联网的试验台”和“建立量子互联网的中继器”为目标的大型项目。
欧盟
自欧盟量子旗舰（EU Quantum Flagship）启动以来，欧洲量子互联网联盟（QIA）一直支持其中的 25 个项目。QIA 是由 QuTech、ICFO、因斯布鲁克大学和巴黎量子计算中心于 2017 年成立，由 40 个学术机构、电信运营商、系统集成商和量子技术创业公司等合作伙伴组成。QIA 从 2018 年开始构建量子互联网的试验台，到 2021 年的三年期预算为 1000 万欧元。2022 年 10 月 14 日，欧洲量子互联网联盟（QIA）启动了为期七年的计划，将开发一个全栈式原型网络，连接相距数百公里的两个都市地区的用户，以构建“欧洲制造”的量子互联网生态系统。该计划的第一阶段，从 2022 年 10 月起持续 3.5 年，预算为 2400 万欧元。第一个目标是建立两个城域网络，包含量子处理器和光子客户端，使用量子中继器的长距离光纤主干链路。这个网络将是完全可编程的，允许使用独立于平台的软件实现硬件支持的任何应用。第二个目标是为欧洲量子互联网创新创建一个量子技术转化为创新应用的平台，包括对企业家的支持、知识产权保护、培养不同领域人才、用例开发，以及将学术和工业界专家聚集一堂的技术论坛。
德国
2019 年，德国成立了自己的量子互联网联盟 Quantum Link Extension。德国联邦教育研究部拨付的三年期预算为 1480 万欧元。
美国
美国从 2020 年开始，积极推动国家规模的量子互联网研究开发，如 2020年 9 月提交更新《国家量子倡议法》（National Quantum Initiative Act），加大支持量子互联网。为了配合这一更新，美国能源部（DOE）和美国国家科学基金会（NSF）分别于 2020 年 7 月和 8 月宣布了各自的项目。这两个项目均支持从基础研究到实地实验的研究开发。DOE 项目是以其下属的 Argonne 国家实验室（ANL）和 Brookhaven 国家实验室为中心进行实施。代表性的项目是 Q-NEXT。该项目 2021 年预算要求 2500 万美元。NSF 是出资支持“量子网络中心”，这是以亚利桑那大学为中心的互联网联盟，旨在开发大都市尺度距离的纠错量子网络，为量子互联网奠定基础。该中心在亚利桑那州图森和波士顿的两个地点安装试验台。NSF 在 2020 年～2025 年的五年将出资 2600 万美元。
中国
中国虽然没有以量子互联网为主题的大型项目，但正在对量子信息技术开展广泛的研究，潘建伟团队使用光子的量子计算证明量子超越性，又实施了使用卫星的量子纠缠分发实验和全光量子中继实验，展示了以量子互联网为目标的研究成果。
日本
日本早在 2012 年就计划成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，未来 10 年内投资 400 亿日元，支持量子通信和量子信息领域的研发。日本 2020 年制定的量子技术创新战略将推动各项技术的开发。但将量子互联网测试用通信网视为 2029 年度以后的课题。但是日本业界对量子互联网研发投入仍在持续。2020 年初，日本东芝公司和日本东北大学的研究人员用量子保密通信技术在短时间内传输了多达数百 Gbit 的人类基因组测序数据，据称这是全球首次用量子保密通信技术如此短时传输大量数据。2021 年 2 月，由 Mercari公司和东京大学等 14 家机构组成的“量子互联网特别工作组”在公开的白皮书中，公布了建立量子互联网测试环境的方针，计划从 2021 年度开始，5 年内 10～20km 的分支通信网。
参考文献
[1] White House website. A strategic vision for americas quantum networks[R]. 2020.
[2] Stephanie Wehner, David Elkouss, and Ronald Hanson. Quantum Internet: A Vision for the Road Ahead. Science 362, no. 6412 (2018)
[3] 産官学連携研究開発コンソーシアム，量子インターネットタスクフォース.“The” 量子インターネット：この宇宙の物理法則に許されるサイバー空間の極致 [R]. 2021-02-10.
