技术“初阶形态”进入产业化导入期 解决远距离传输问题是下一步重点

http://www.scol.com.cn(2021-3-15 10:26:38)  四川在线  编辑:盛飞

投稿邮箱:scolpl@163.com作者:熊筱伟
作者:熊筱伟   投稿邮箱:scolpl@163.com
  量子互联网是“更接近实现的量子科技”,川观智库综合《科学》《自然》论文及美国能源部报告等文献观点认为——    

  开栏的话

  今天,川观智库新产品《全球智库报告综述》正式与你见面了。

  “综述”是借用了“学术综述”概念——即对大量研究论文的主要观点进行归纳整理、分析提炼而写成的论文;至于“全球智库报告”,是指由国内外顶尖智囊和研究机构撰写的、服务于政企决策的智识产品。

  就像新产品名所表达的那样,我们希望能成为全球一流智库产品的“二次加工者”。它不是简单的摘要,而是在读通读透报告基础上总结提炼出精华内容。每一期我们都将聚焦一个前沿话题,带你一起跨过异国语言、晦涩字词和海量篇幅等障碍,以更精准高效的方式读懂国内外一流智库相关报告,及时把握世界发展趋势和线索。敬请关注。

  《全球智库报告综述》第一期,关注量子互联网。量子互联网这个词或许并不为大众所熟知,但国内外智库机构普遍将其视为21世纪最重要的前沿技术之一,近两年不断有高质量、针对性的调研报告和论文出现。这些文献都传递出一个明确信息——当前应对部署推动量子互联网发展予以特别关注。

  川观智库搜集整理了国内外13篇权威文献,筛选出有价值的内容梳理成文,以求更深入准确呈现全球视野下量子互联网发展的意义、现状及前景。

  A

  量子互联网为何值得特别关注?

  ●量子互联网和现有互联网之间是“增强”而非“替代”关系。有望从中诞生不可窃听的安全通信方式、显著提高传感器网络某些测量精度以及实现“量子云计算”

  ●美国能源部报告提出十年内建成全国性的量子互联网。作为量子互联网技术的“初阶形态”,量子通信已有部分应用变为现实

  ●全球不少国家都在部署推动量子互联网研发工作。发展量子互联网所需相关技术,我国研究处于前沿地位,四川也有一定基础

  我们日常生活的世界,遵从经典物理规律。但在量子的微观世界里,运行着全然不同的物理规律。量子力学,就是研究这些规律的一门科学。而如今备受关注的量子科技,就是由量子力学衍生出的技术,包括量子计算机、量子传感、量子互联网等众多分支。

  量子科技分支众多,为何我们要特别关注量子互联网?综合相关文献观点,至少有三个方面的理由。

  价值大 将“从根本上增强互联网技术”

  最直接的答案,来自量子互联网巨大的潜在价值。

  对这种价值,美国学术期刊《科学》2018年在《量子互联网:展望未来之路》(以下简称《展望》)一文中有过表述:量子互联网的愿景是通过让地球上任意两点实现量子通信的方式,从根本上增强互联网技术。

  此处传递出两个信息:一是量子互联网和现有互联网之间是“增强”而非“替代”的关系。文章进一步提出量子互联网将与我们现有的互联网协同作用,以实现目前传统手段无法发挥的能力;二是增强的方式,是通过量子通信来实现。

  那么,从根本上增强互联网技术,具体怎样增强?实现这些增强,为什么是通过量子通信?

  对前一个问题,《展望》并未给出完整回答,只是认为“与任何根本性的新技术一样,很难预测未来量子互联网的所有用途”。于是我们从美国能源部2020年发布的《从远距离纠缠到建立全国性的量子互联网》报告(以下简称《能源部报告》)中找到了更为系统的回答,具体包括至少3方面增强——安全通信、传感器网络、升级量子计算。

  综合公开资料,第一项安全通信,是指量子互联网能实现目前人类唯一已知的、不可窃听不可破译的无条件安全通信方式,《能源部报告》认为这“将成为量子互联网的核心应用”;第二项传感器网络,即将量子传感器连接起来以显著提高对某些现象的测量精度。比如量子时钟网络,有望推动全球定位系统等导航网络的精度从米提高到毫米级别;第三项升级量子计算,主要是指实现“量子云计算”——连接多个量子计算机,形成“1+1>2”的超强计算能力。

  基于类似观点,中科院理化技术研究所戴闻2020年编译发表的《量子互联网所需的关键设备》(简称《设备》)一文认为量子互联网可能是“与传统互联网同等水平的另一场革命”。

  后一个问题,涉及量子互联网相关原理。实现量子互联网,需要依托量子通信技术。而这种技术基于量子世界里的一种奇妙现象——量子纠缠,即处于纠缠态的两个微观粒子不论相距多远都存在某种关联性。一个粒子发生状态改变,另一个如同“心灵感应”,也会瞬时发生相应改变。

  《展望》提出,从量子纠缠的两个特征出发,可以理解量子互联网的几乎所有应用:一是极强的关联协同性,这使量子纠缠非常适合需要协调的任务;二是纠缠不能被共享——如果两个粒子最大程度纠缠在一起,第三个粒子就不可能再和其中任意一个纠缠,这为需要安全性的任务带来很大优势。

  可实现 比量子计算机更接近实现

  另一个值得关注的理由,是和同样价值巨大的量子计算机相比,量子互联网更有可能率先成为现实。

  《能源部报告》提到,“尽管通用量子计算机距离我们还有很多年,但研究界认为量子互联网可能更接近于实现”。发布于2020年7月的该报告提出,将在十年内建成全国性的量子互联网。

  美国国家量子协调办公室同年发布《美国量子网络的战略构想》(简称《构想》),给出了更具体的目标:未来5年,美国公司和实验室将论证量子网络的基础科学和关键技术,为商业、科学、卫生和国家安全带来益处;未来20年,量子互联网将实现传统技术无法实现的新功能。

  最新进展来自英国学术期刊《自然》今年刊发的《量子网络正迈向超安全互联网》,荷兰代尔夫特理工大学物理学家成功将三个量子设备连接在一个网络中,从而“向未来的量子互联网迈出重要一步”。

  然而,有可能率先实现,不等于已经实现。川观智库注意到,网上有观点认为量子互联网已经实用化,甚至打出“量子互联网赋能工业”等概念。而《能源部报告》明确提出“迄今为止,还不存在量子互联网”。

  目前已有应用的,是量子通信。中国开通的世界首条量子保密通信干线“京沪干线”就是一个实例。中科大合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员袁岚峰撰文提出,量子密钥分发(作者注:量子通信涉及的主要技术)是一种已经投入实用的技术。他在另一篇文章中提到,“只要建起量子密钥分发的线路,任何两个人之间都可以实现美俄总统通话级别的安全性。”

  量子通信和量子互联网,究竟是什么关系?综合多方观点,可大致将量子互联网理解为量子通信的“高阶形态”——量子互联网以量子通信技术为依托,在此基础上进一步发展以实现更多功能。

  可为佐证的是美国光电子行业协会2020年发布的《量子光子学发展路线图》(简称《路线图》)报告将量子互联网内容放在了量子通信的“技术展望”环节。该报告提出相对于量子通信,量子互联网具有更多功能(如使量子传感器和量子计算机的网络式分布成为可能),但也需要额外的技术支撑(如量子存储器等硬件开发、网络堆栈等软件开发)。

  有基础 相关研究我国处于前沿地位

  基于量子互联网以上特性,各国先后出台战略性文件以部署推动相关工作。

  综合赛迪研究院2020年《全球量子互联网进展及启示》等报告,除上述《能源部报告》及《构想》外,2018年欧盟委员会启动欧洲量子技术旗舰计划,量子互联网联盟就是首批19个科研类项目之一;俄罗斯制定了国家量子行动计划,推进量子互联网平台建设;印度亦提出国家量子任务,实施量子互联网关键技术创新。

  发展量子互联网,中国是否有基础?根据公开材料,我国在量子互联网所需的量子通信领域的技术路线和国际前沿总体一致。其中在量子密钥分发技术方面,我国无论是基础技术还是工程技术的成熟度,目前都处于国际引领地位。量子密钥分发在光纤中能做到数百公里、用卫星可达上千公里,这两个纪录目前都由我国保持。至于发展量子互联网所需其他相关技术,我国研究也处于前沿地位。

  《能源部报告》特别提到,中国一直是QIS(量子信息科学)的长期投资者,一直在打破量子网络的距离纪录。2019年6月,他们(作者注:“他们”是原文引用,即中国)在1200公里的距离上建立了由卫星驱动的光子纠缠。“墨子号”首席科学家、中科院院士潘建伟在接受专访时表述,我国量子密钥相关技术已经有实际应用案例,而利用十年或者更长一点时间,将可实现有量子通信保障的互联网。

  发展量子互联网,四川也有一定基础。电子科大、西南交大等高校院所都有科学家团队开展相关研究。其中电子科大还建有以量子互联网为主攻方向的相关实验室。部分中央在川院所也在从事量子互联网应用研究。

  B

  如何抢占量子互联网发展先机?

  ●可集中力量优先从网络设备、设备集成、信号增强和转发、错误纠正方面寻求突破。解决远距离传输问题或是当前重中之重,这需要做出可实际应用的量子存储器

  ●目前量子通信行业处于“导入期”,投资者可重点关注传输距离、量子密钥分发速率和成本变化情况

  ●推动从量子通信到量子互联网,应构建“产学研合作生态系统”

  涉及学科众多、应用前景广泛……这些特点使量子互联网相关工作纷繁复杂。因此关注进而推动量子互联网发展,必须要抓重点。具体怎么抓?立足文献观点,川观智库从推动科研、产业化两个角度梳理出相关内容以供参考。

  从推动科研角度看

  当前有4个科研优先方向

  《构想》明确提出,量子互联网技术仍处于研发的早期阶段——这意味着量子互联网涉及的几乎所有领域都有待更深入研究,物理、通信、计量、工程等众多学科的一系列瓶颈问题有待解决。

  面对这样庞大的科研工程,该从何着手?如何抓重点?《能源部报告》给出了当前4个科研优先方向——

  一是“网络设备”,即提供量子互联网的基础组件,包括量子存储器,高速、低损耗量子开关,量子源换能器以及从光学和电信领域到量子计算机相关领域的转换等。

  二是“设备集成”,即集成多个量子网络设备,这要求科学家们克服将多个量子网络设备集成到高性能量子互联网组件中的物理障碍。

  三是“信号增强和转发”,即为量子纠缠创建中继、交换与路由。报告提出在传统互联网中相关领域已有成熟的物理和软件解决方案,但这些方面在量子互联网中却没有。

  四是“错误纠正”,即启用量子互联网相关功能的错误纠正。科学家必须找到保障能够支持相关设备的信息保真度级别,以及能补充传输损耗并允许进行错误校正操作的相关方案。

  四个方向都很重要。但在《设备》一文看来,当前“重中之重”是如何实现“更大尺度的量子网络”,即解决远距离传输问题。文章提出量子地面网络和传统网络类似,都会用光纤以光子形式传输信息。传统网络靠中继器不断放大信号,来抵消光纤杂质导致的削弱,从而将信号传输到更远距离。但目前全球尚未做出功能正常的量子中继器。“如果没有量子中继器,量子比特(作者注:可简单理解为信息)通常只能经光纤传送几英里(或至多100英里)——这对于大范围网络来说,距离太短了。”

  文章也提到中国连接京沪的量子通信网,“由于没有量子中继器,这个网络不是从头到尾完全量子加密的,路线上有几个节点,信息被解密,然后再加密。这些节点安排是一个‘临时解决方案’……另一个不使用量子中继器的临时方法是使用卫星。”

  上海交大集成量子信息技术研究中心主任金贤敏在受访时谈到,可实际应用的量子存储器应同时满足高存储带宽、长寿命、高效率和低噪音等指标,同时还要能在室温条件下工作。

  从推动产业化角度看

  可关注3个关键技术指标

  如前文所述,量子互联网尚未走进现实。目前已投入实际应用的,是作为技术“初阶形态”的量子通信,其主要产业化价值在于创造安全的通信网络。

  国内期刊《中国工业和信息化》2020年刊登的《量子科技及其未来产业应用展望》一文提出,我国在量子通信技术领域目前处于世界领先水平。2019年我国量子通信市场规模为325亿元。

  对行业发展情况,前瞻产业研究院《2020年中国量子通信市场规模及竞争格局分析》有更深入介绍:整体来看,量子通信行业还处在“成长期”之前的“导入期”。目前应用主要集中在利用量子密钥分发链路加密的数据中心防护、量子随机数发生器,并延伸到政务、国防等特殊领域的安全应用。未来随着量子通信组网技术成熟,终端设备趋于小型化、移动化,有望扩展到电信网、企业网、个人与家庭、云存储等应用领域。

  针对产业链情况,该报告介绍上游核心元器件包括单光子源、单光子探测器、光学集成芯片等。目前国内上游核心元器件生产企业不多,主要包括科大国盾量子、问天量子、启科量子、国腾量子等,能基本实现核心部件自主供给。

  为帮助投资者更好评估量子通信技术产业化进展,《路线图》给出了可供参考的3个关键技术指标:一是传输距离,目前最长约400公里。这方面数值增加将是量子通信能否扩展到更多应用的关键;二是量子密钥分发速率,当前速率限制为每秒几兆;三是成本,当前成本对大量应用而言都显得过高。

  至于推动从量子通信到量子互联网的实现,《能源部报告》特别强调了构建“产学研合作生态系统”的重要性,明确提出对量子互联网有需求的政府部门应联合起来,和量子通信初创公司和大型光通信公司进行强有力合作,以鼓励为量子互联网新方向和衍生应用提供关键机遇。具体合作内容可包括:与光纤供应商合作确定大型光纤网络的光纤质量、分布、拓扑和损耗;促进大型通信公司采用第一代量子通信设备;培养人才队伍以支持新的量子网络等。

  电子科大教授周强建言四川布局量子互联网:需加快量子科技研究队伍建设  

  □川观智库首席研究员 熊筱伟

  提前布局量子互联网,四川当前可以做些什么?川观智库邀请电子科技大学信息与量子实验室教授、博导、青年长江学者周强给出他的建议。

  在他看来,四川发展量子互联网至少有三方面的较好优势:

  一是相关研究起步较早,并在部分应用领域取得突破。省内高校2017年前后即开始在量子节点互联等方面进行科研探索。以电子科技大学为例,目前相关团队已建有量子互联网实验平台,在量子互联网的关键子系统——城域量子隐形传态系统的性能方面达到同等条件下世界领先水平。部分由量子互联网衍生出来的相关技术已投入应用,如用于光通信网络健康检测和维护的单光子探测光时域反射技术。

  二是拥有应用场景。不少在川央企在保密通信、传感遥感、精密测量等方面对量子互联网技术有明确需求。本地完全可以推动“量子互联网+”,以应用来牵引量子互联网技术的创新和产业化发展。

  三是电子信息产业有很好的基础。量子互联网本就是现有互联网与量子力学结合的新兴高科技领域,也涉及信息技术的信息获取、传输、处理、存储和应用等方方面面。传统电子信息相关技术和产业积淀,对量子互联网技术创新和产业化发展而言也会起到重要的支撑作用。

  在此背景下,周强为相关政府部门给出三点建议。

  首先是大力引进和培养相关人才在四川扎根,在他看来这是四川的首要任务。周强建议四川依托有基础的高校和科研院所,差异化打造量子互联网科技实验室,为量子科技人才的培养和引进提供平台。具体到人才选择上,建议重视相关院士等高能级专家以及中青年骨干,通过成效来评价人才引进和培养工作的质量。

  其次可立足于四川禀赋特点,做好相关资源的精准投放和合理利用。在世界范围内,以量子互联网为牵引的量子科技仍处于需要大量持续投入的攻关阶段。针对目前已有技术积累和条件,四川可集中资源提前布局某些适用于量子互联网的软硬件和应用研究。例如集中力量推动“量子互联网试验场”等硬件平台打造,找寻最佳的技术路线,研制一批“量子光源”“量子中继”“程控光量子芯片”“量子网卡”等量子互联网关键器件、形成量子互联网的标准,抑或是发展“量子探测与传感”等量子互联网应用技术。一旦确定重点,相关投入应有持续性,已积累优势力量的方向应予以稳定支持。

  另外应坚持开放的态度。四川可放眼国际,引进和培育一批新兴量子科技企业,发挥四川在军民融合信息技术方面的长处,差异化打造四川特色的量子科技产业生态。
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