美国能源部发布了量子互联网的蓝图

在全国范围内建立量子网络并开创通信新时代的努力。图片来源：UChicago图片

在芝加哥大学的一次新闻发布会上，美国能源部（DOE）公布了一份报告，该报告提出了发展国家量子互联网的蓝图战略，使美国处于全球量子竞赛的最前沿并迎来了新的机遇。在通信的新时代。该报告为确保制定《国家量子计划法案》提供了途径，该法案于2018年12月由特朗普总统签署成为法律。

全世界都在建立一种共识，即使用量子力学进行通信的系统代表了21世纪最重要的技术前沿之一。现在，科学家们相信，原型的建造将在未来十年内实现。

今年2月，美国能源部国家实验室，大学和工业界在纽约市开会，制定了国家量子互联网的蓝图战略，列出了有待完成的基本研究，描述了工程和设计的障碍并设定了近期目标。 。

美国能源部长丹·布劳耶特（Dan Brouillette）说：“能源部为在国家量子互联网的发展中发挥重要作用感到自豪。” “通过构建这项新兴技术，美国将继续致力于维护和扩展我们的量子能力。”

美国能源部的17个国家实验室将成为即将到来的量子互联网的骨干，它将依靠量子力学定律来比以往任何时候都更安全地控制和传输信息。目前，处于发展初期的量子互联网可以成为安全的通信网络，并对对科学，工业和国家安全至关重要的领域产生深远的影响。

建立这种互联网的关键步骤已经在芝加哥地区进行，芝加哥地区已成为量子研究的全球领先枢纽之一。今年2月，美国能源部位于伊利诺伊州莱芒特的阿贡国家实验室的科学家和芝加哥大学将光子纠缠在芝加哥郊区52英里的“量子环”中，成功地建立了美国最长的陆基量子网络之一国家。该网络将很快连接到位于伊利诺伊州巴达维亚的美国能源部的Fermilab，建立一个三节点，80英里的测试台。

“芝加哥大学，阿贡大学和费米实验室的综合知识和技术领导地位使芝加哥在发展量子信息技术的全球竞争中发挥了核心作用，”芝加哥大学校长罗伯特·齐默尔说。“这项工作需要定义和建立全新的研究领域，并为它们定义技术应用的新领域，这些领域可以改善世界各地许多人的生活质量并支持我们城市，州和国家的长期竞争力。 ”

“阿贡大学，费米实验室和芝加哥大学有着悠久的合作历史，致力于加速推动美国繁荣与安全的技术，”阿贡大学主任保罗·凯恩斯说。“我们通过应对建立国家量子互联网的挑战，扩大我们的合作以利用美国各地的美国科学家和工程师的巨大力量来延续这一传统。”

“从现在开始的几十年，当我们回顾量子互联网的开端时，我们可以说最初的联系点在芝加哥–费米实验室，阿贡大学和芝加哥大学，”主任奈杰尔·洛克耶（Nigel Lockyer）说费米实验室。“作为现有科学生态系统的一部分，能源部国家实验室处于促进这种整合的最佳位置。”

一系列独特的能力

量子传输的标志之一是，随着信息在位置之间传递，它们很难被窃听。科学家计划利用这种特性来打造几乎无法入侵的网络。早期采用者可能包括银行和医疗服务等行业，并申请国家安全和飞机通信。最终，在手机中使用量子网络技术可能对全世界个人的生活产生广泛的影响。

科学家们还在探索量子互联网如何加速大量数据的交换。该报告称，如果可以组合和扩展各个组成部分，那么社会可能正处于数据通信突破的风口浪尖上。

最后，创建超灵敏量子传感器网络可以使工程师更好地监视和预测地震（这是一个长期而难以实现的目标），或者可以搜索石油，天然气或矿物的地下沉积物。这样的传感器还可在医疗保健和成像中应用。

多实验室，多机构的努力

要创建完整的量子互联网原型，将需要美国联邦机构（包括美国能源部，国家科学基金会，国防部，美国国家标准技术研究院，美国国家安全局和  美国  国家航空航天局）与美国实验室，学术机构和行业。

该报告列出了关键的研究目标，包括构建和集成量子网络设备，使量子信息永续和路由以及纠正错误。然后，要建立全国性网络，有四个关键的里程碑：通过现有的光纤网络验证安全的量子协议，在校园或城市之间发送纠缠的信息，扩展城市之间的网络，最后使用量子“中继器”在州之间扩展。放大信号。

“量子网络的基础在于我们能够在原子尺度上精确合成和操纵物质的能力，包括对单光子的控制，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程教授Liew家族教授David Awschalom说，阿贡国家实验室的资深科学家，芝加哥量子交易所的主管。“我们的国家实验室拥有世界一流的设施，可对具有亚原子分辨率的材料进行成像，并通过先进的超级计算机对其行为进行建模。这些强大的资源对于加快量子信息科学和工程的进展以及与学术和公司合作伙伴协作引领这一快速发展的领域至关重要。”

“除了我们与芝加哥大学的合作之外，费米实验室还与Argonne，加州理工学院，西北大学和科技初创公司合作开发架构，并逐步在整个芝加哥市内部署和连接量子通信节点。不久之后，通过第二组合作者，我们将跨城域网传送数据。”费米实验室量子程序负责人Panagiotis Spentzouris说。“这个蓝图对于告诉我们如何在全国范围内推广这一蓝图非常重要。”

其他国家实验室也在推动量子网络和相关技术的发展。例如，石溪大学和布鲁克海文国家实验室与总部位于劳伦斯伯克利国家实验室的美国能源部能源科学网络合作，建立了一个80英里的量子网络测试台，并正在纽约州以及橡树岭和洛斯积极扩展阿拉莫斯国家实验室。其他研究小组则致力于开发具有高度安全信息的量子密码系统。

Argonne国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题的解决方案。Argonne是美国第一个国家实验室，几乎在所有科学学科中都进行领先的基础和应用科学研究。Argonne研究人员与来自数百家公司，大学以及联邦，州和市级机构的研究人员紧密合作，以帮助他们解决特定问题，提高美国的科学领导地位并为国家创造更美好的未来做准备。Argonne的员工来自60多个国家，由美国能源部科学办公室的UChicago Argonne，LLC管理。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决当今时代最紧迫的挑战。

###

参考文献：

• Brookhaven国家实验室的“从长距离纠缠到建立全国性的量子互联网：DOE量子互联网蓝图研讨会的报告”。
  DOI：10.2172 / 1638794
• HR6227 –国家量子计划法案