前瞻: 下一代 络 量子互联

1.量子计算机还远吗h3>

虽然从表面数字上量子计算机只是在缓慢的变化，但实际上技术还是在持续积累，人们对量子计算机的认识和信心也越累越强。2010年前后，超导量子计算机的技术开始迅猛发展，量子比特的寿命短短十年就从100纳秒提升到100微秒，同时逻辑门的保真度也迅速提升到99%以上，达到了容错量子计算的阈值以上。而离子阱系统中，在2011年也做出了14个离子的多体量子纠缠态。

2015年前后，谷歌加入了量子计算机的硬件研发，从美国加州大学圣巴巴拉分校挖来了Martinis教授负责量子计算的硬件投入，同时IBM也在这个方向加大了投入，2016年发布了5个量子比特的量子计算云平台。创业公司也开始出现了，比如说最早做离子阱量子计算的Monroe教授创办了IonQ公司，发展离子阱量子计算，从IBM出来的Regetti 公司发展超导量子计算。中国的阿里巴巴、华为、腾讯和百度等公司也在两三年前开始了量子计算机的研发。他们从软件着手，目前也开始啃量子计算硬件的硬骨头。

工业界的投入让这个方向的发展步入了快车道，20多年的技术积累不是白费的，量子计算机无论是量子比特的数目，还是量子逻辑门的保真度都在快速提升。我记得IBM刚刚发布其量子云平台时，只包含5个量子比特，两个量子比特逻辑门的保真度只有95%左右。而2019年其最新发布的量子云平台，两量子比特逻辑门的保真度已经超过99%了。现在不论IBM还是谷歌都已经做出了60个量子比特以上的量子计算机，去年谷歌更是在其机器上演示了“量子霸权”的实验，验证了量子计算机可以超越经典计算机。

另一方面，在离子阱与超导量子计算机以外，基于硅基量子点与光子系统的量子计算也在蓬勃发展。比如说，低温下硅基量子点的相干时间被证明可以长达几个小时，而其工作温度也从10mK的超低温提升到了3K。开发硅基量子点量子计算机的公司，聘请了Martinis教授兼职，预计两年内可以做出超过10个量子比特的原型机。由于英特尔公司在硅基系统中有长久的积累，所以他们对此系统很有兴趣，这几年也投入了很多资源。

最近这一两个月IBM与谷歌都贴出了自己的量子计算机路线图。谷歌预计5年做出超过一千个量子比特的量子计算机，到2030年，做出超过一百万量子比特的，通用可容错的量子计算机。

IBM量子计算机研发路线图
上图展示的IBM的路线图，他们更加激进，预计3年做出超过1000个量子比特的量子计算机，

作为量子计算的创业公司，IonQ选择了离子阱作为技术路线，他们最近发布的量子计算机包含32个量子比特，逻辑门保真度很高，量子体积超过百万。而一年前，他们发布的量子计算机还只包含11个量子比特。一年提升3倍，这个发展速度还是很惊人的！根据IonQ公司CEO的说法，他们会每年让量子比特的数目翻一倍。这样到了2025年，离子阱量子计算机也可以达到1000个量子比特了。虽然这个新闻中没有包含技术细节，但是在9月24日，arXiv上预印本的论文中，Monroe组用13个离子阱的量子计算机演示了量子纠错算法。这个实验平台与IonQ公司用到的技术应该是大体相似的。离子阱量子计算机与超导量子计算机不同的地方在于，允许实现非紧邻的量子逻辑门，这可以极大的降低算法的复杂性。

综合各方消息，大概可以确认的是，到了2025年前后，我们可以做出一个量子比特数在1000个量级，两量子比特的量子逻辑门保真度99.7%的量子计算机。量子纠错和量子容错操作应该可以在此平台上得到演示与证明。而基于量子计算的一些初步的应用，也许就可以在此系统中得到演示或者验证。在通往容错量子计算的漫漫征途中，超导量子计算机、离子阱量子计算机、硅基量子点量子计算机等各种系统会相互竞争，共同促进量子计算机的快速发展。乐观点估计，在2030年后，人们也许真能做出100万个物理量子比特的量子计算机。

我儿子正在念小学，等他大学毕业开始工作，也许量子计算机程序员会成为他们那个时代最紧俏和吃香的职业。意识到这一点，我今天早饭时特意问了问他：以后想做量子计算程序员么示完全听不懂，他以后的理想是做一名外科医生。好吧，外科医生也很不错，老铁没毛病！

2.下一代 络 量子互联

自从1969年互联 发明以来，它已经彻底地改变了人类的生活和 会形态。今后几年随着5G 络技术的逐步普及，我们将会进入万物互联的新时代。很多人都很好奇，5G之后新一代的互联 技术会是什么样呢G、7G 络，还是什么别的么p>

今年2月，美国白宫国家量子协调办公室发布了美国政府的量子 络战略展望，7月底，美国能源部发布了美国量子互联 的蓝图。今年5月，欧盟也发布了自身的量子互联 战略愿景。“量子互联 ”成为了科技媒体上热门的词汇。这么多国家的政府都不约而同的对量子互联 产生了浓厚的兴趣，量子 络很可能会是下一代 络技术的关键。那什么是量子互联 我从头说起。

量子互联 包含两个关键词：“量子”与“互联 ”。量子在这里指的是量子物理特有的规律。量子物理学是从20世纪初发展起来的一门学问。量子物理理论一经创立，就成功地解释了原子发光光谱等问题，进而帮助人们深刻地理解了微观世界物质运动的规律。只有掌握了这些规律，人们才能发明晶体管、半导体芯片以及大规模集成电路技术，用于制造功能越来越强大的电子计算机；基于量子物理，人们发明了激光并用于光纤通信，从而实现全球互联 。总之，量子物理学不仅是信息时代的基础，也是全球互联 的基础。

互联 出现四十多年，其容量、速度和广度一直在迅猛发展。最开始互联 的速度太慢，只适合传输文字信息，后来图片，语音，视频等都能通过 络便捷地分享。今天通过移动互联 ，我们可以随时随地的拍摄一段视频，并发布在 上。互联 技术极大地提升人们的生活品质和 会的运行效率，但不可避免地也带来了很多新的问题，比如 络时代的信息安全问题，身份认证问题等。解决这些问题的通行办法是密码学家发明的公共密钥协议。1994年，能够高效破解RSA公共密钥协议的Shor量子算法发明后，公共密钥协议的安全性开始被动摇。幸好，1984年人们就发明了基于量子物理的BB84密码协议，它的安全性完全由量子物理的基本特性所保证，不会被量子计算所攻破：量子的矛正好被量子的盾抵挡。

由BB84协议发展而来的量子保密通信技术，在过去的三十多年中得到了迅猛发展。最近十年，中国人在这项技术的发展中发挥了重要作用，比如墨子 量子卫星发射成功，京沪量子通信干线的建设等，都极大地直接推动了量子保密通信的应用落地，与现有的互联 结合起来，保障用户的信息安全。

既然量子物理与密码学融合而来的量子保密通信技术，可极大地提升互联 的信息安全。很自然的，我们会想，如果用量子技术对互联 进行整体的升级，实现全量子的互联 ，也许就能做更多传统互联 做不了的事情。

那量子互联 到底能做什么事情呢，它可以用来传递量子信息。量子信息的基本单元是量子比特，如同经典量子比特那样，它也有0和1两个状态，但同时遵循量子的规律，可以处于0和1的量子叠加态。最神奇的是，相聚遥远的量子比特之间，还可以处于量子纠缠态。量子互联 的基础是量子隐形传态（Quantum Teleportation）技术：它基于量子物理基本原理，利用量子纠缠作为资源和经典通信的辅助，不用移动承载量子信息的物质实体（比如说光子），就能实现相聚遥远的两点之间的量子信息的传递。由此可以预计，未来的量子互联 运行时，也离不开经典信息 络的辅助，量子互联 与经典互联 是并行不悖的。

其次，利用量子 络还有望实现全新的传感技术，在军事国防上有重大的应用潜力。在量子互联 上，利用相互纠缠的量子 络节点，能够带来传感灵敏度的极大提升，超越经典测量理论的极限。基于量子 络可以实现更加精准的全球时钟标准，使得 络中不同节点间时钟同步更加稳定，各个节点时钟的误差可以被实时测定并修正。利用量子纠缠作为资源，所实现的全球量子时钟基准将会出现颠覆性的提升。不仅如此，基于量子 络的时钟基准，具有很高的安全性，能探测敌人对 络节点的攻击。利用量子 络所实现的时间基准一旦用于北斗全球定位系统，将会极大的提升其授时、定位精度与安全性。我相信利用量子 络实现全新的传感方式将会是未来量子互联 的重要应用。

建造量子互联 的终极目标是实现分布式量子计算 络。尽管量子计算机已经展现出超越经典计算机的能力，但是每个节点量子计算机能力始终是有限的，如果能用量子互联 连接不同的量子计算节点，可以形成庞大的分布式量子计算机，极大地增加量子计算的能力。为了实现可靠的分布式量子计算，关键是在量子 络上实现量子纠错。总的来说，量子 络在量子计算上的应用，目前还是着眼于基础研究。

要实现大规模的量子 络，进而实现全球量子互联 和分布式量子计算，要解决的关键技术瓶颈是量子纠缠的长距离分发问题。我们都知道，量子纠缠一般是很脆弱的，如果把处于量子纠缠态的一对光子通过光纤朝两个方向传输，量子纠缠很快就会随着光子的泄露而完全丢失。为此，人们正在发展可以蒸馏和放大量子纠缠的技术，我们把它称为量子中继器。量子 络终极的应用是实现分布式量子计算 络。通常量子计算机中量子信息存储在微波波段，而要连接相聚遥远的量子计算机，需要我们实现量子信息在微波与光学波段之间的高效转化，以及量子信息在 络节点上的长时间存储。总的来说，要实现全量子 络，所需要突破的技术包括量子连接器、量子中继器、量子存储器等。

l 量子连接器：可以实现量子信息在微波与光学波段光子之间的高效转化

l 量子中继器：可以实现 络节点之间量子纠缠的放大

l 量子存储器：可以长时间的存储量子信息

人们已经实现微波光子与光学光子的转化，但仅限于经典信 ，单量子水平的高效转化还在研发中。要实现真正的量子连接器，目前主要问题在于转化效率不够高，以及转化时噪声太大。据我估计，5年内此技术应该可突破到单量子水准。实现量子中继器的关键是量子纠缠分发。目前已实现相距几十公里，通过光纤连接的两个节点之间的量子纠缠分发（由中科大潘建伟团队完成），纠缠放大的技术指标只差临门一脚，就能迈向实用的量子中继器。人们已经实现小时量级的量子存储器，但需要超低温环境，且无法对错误进行纠正。人们正在研发室温下的长寿命量子存储器，并利用量子纠错技术纠正存储中出现的错误。

虽然通向量子互联 的道路上还存在很多障碍，但目前揭示出的量子互联 的功能，已经让人们神往不已。我相信，随着技术的发展，量子互联 的雏形将很快会出现，它将帮助人们深入地挖掘量子互联 的能力与功能，量子互联 更多颠覆性的应用，也许会不断涌现。

发布于 08-24

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