量子互联网的全球竞赛正在加速

光子盒研究院出品

量子纠缠即服务(EaaS)公司 Aliro Quantum最近从美国空军获得多项合同，旨在加速量子网络的开发。本周，Aliro首席执行官Jim Ricotta撰文表示，量子网络的全球竞赛正在加速。

Jim Ricotta, Aliro CEO

以下为全文翻译（适当调整）：

6月初，西班牙和中国的研究人员同时发表了两项独立的量子中继器开发突破，这似乎是一个惊人的巧合。这两个实验是全球加速迈向量子互联网的里程碑。

经典互联网将比特从发送方传输到接收方，而量子互联网则分发纠缠。纠缠是一种量子现象，即量子比特可以远距离纠缠在一起。纠缠是量子互联网的基础资源。分发量子纠缠即服务(EaaS)的能力是量子互联网的核心。

虽然不能与经典网络直接类比，但EaaS 代表了量子网络(QN)提供的基本服务，就像TCP/IP定义当今互联网提供的核心服务一样。EaaS使用量子中继器网络将量子网络用户与纠缠量子比特远距离连接起来。

借助EaaS，在连接到量子互联网的节点上运行的应用程序将能够按需请求纠缠。EaaS网络通过在节点之间分发成对的纠缠光子来建立纠缠。一旦建立，不需要物理传输就能实现通信交换。

这种在EaaS 网络上传递信息的能力由于不需要物理传输，使得量子网络“无法破解”。传统的威胁，如窃听或“中间人”攻击，根据物理基本定律是不可能的。随着我们构建越来越强大的量子计算机，今天传输的数据，即使是加密的，也可能在未来某个日期被黑客入侵。解决方案是开发一种长期的、具有量子安全特性的安全结构，例如EaaS网络。

值得注意的是，EaaS网络超越了现有的量子密钥分发(QKD)网络。今天的QKD网络只有一个目的，就是支持量子密钥的分发。而EaaS网络提供纠缠作为一种资源，可以被各种应用使用。此外，EaaS网络使用隐形传态来传输量子比特，提供额外的安全层。最后，EaaS网络支持比QKD网络更通用的拓扑和更远的距离，而不影响安全性。为了支持远程通信，QKD 网络依赖于可信节点，如果网络由第三方(例如服务提供商)管理，这可能会危及安全性。EaaS网络使用量子中继器建立直接纠缠，这意味着网络用户不需要信任网络提供商。

EaaS可通过将许多小型量子计算机联网来解决更大的问题，从而实现可扩展的分布式量子计算。例如，使用EaaS联网量子计算机可以将 10 台 50 量子比特的量子计算机变成一台 500 量子比特的机器。通过这种方式，量子互联网将推动高性能计算(HPC)的革命，有可能在人工智能、医学、材料、物流等领域实现突破。

为了通过量子互联网在全球范围内分发EaaS，需要实用的量子中继器。在经典网络中，比特沿着光缆传输，随着信号被吸收，长距离传输开始失去可靠性。在节点之间插入中继器以测量从一侧传入的信号，将其复制并以更高的功率将其重新传输到另一侧——因此我们可以在很长的距离内可靠地传输信息。虽然损耗也是量子网络中的一个问题，但由于相关的物理学原理，它无法以同样的方式解决——量子信息不能在不被破坏的情况下被复制，这一事实被称为不可克隆定理。

量子中继器基于纠缠交换的概念，使用隐形传态通过一系列本地连接的中继器创建长距离纠缠。量子中继器可以将一系列短程纠缠转换为一个远程连接。

最近的量子中继器研究有什么“突破”？

6月份，量子中继器的发展取得了飞跃性进展，中国和西班牙的两组研究人员在实用量子中继器方面取得了独立的进展。到目前为止，实用的量子中继器被证明是难以捉摸的。在最近的论文中，两组研究人员展示了可能带来实际应用的量子中继器的新平台。

但仅仅产生纠缠是不够的。量子中继器需要以与现有电信基础设施兼容、更长量子比特存储时间以及高速率运行的方式工作。随着最近的两项进展，该领域向实用的量子中继器又迈进了一步，而量子中继器又是量子互联网的关键。

这两项进展只是量子互联网加速开发的最新进展之一。从技术上讲，这一速度是很快的。2020年以来取得了多项进展：中国研究人员使用卫星展示了1000公里安全量子网络；包括IonQ和Rigetti在内的主要量子计算公司宣布了将其设备联网的计划；荷兰研究人员展示了使用纠缠交换的多节点网络；东芝公司展示了超过600公里光纤的双场量子密钥分发(TF-QKD)；最近，中国研究人员成功实现500公里量级现场无中继光纤量子密钥分发，创下现场光纤量子保密通信新的世界纪录。

各国政府竞相开发量子互联网技术，这在一定程度上激发了人们的兴趣。美国参议院最近通过了一项2500 亿美元的研究资助法案《创新与竞争法案》，其中包括对量子技术的资助，明确寻求在量子互联网等前沿技术的发展上超越中国。世界各国政府都以类似的紧迫感进行了量子互联网的开发。

建设量子互联网的竞赛现在正成为焦点，因为该技术已达到了部署第一个量子网络的就绪水平。不可破解的通信和可扩展的量子计算等应用前景吸引了政府和商业实体的高度关注。

尽管还有很多工作要做，但量子网络领域的发展速度比我30 年职业生涯中目睹的任何新技术都要快。

参考链接：

https://thequantumdaily.com/2021/08/10/the-quantum-internet-space-race-is-accelerating/