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重磅!刚刚,美宣布“量子互联网”国家战略蓝图,中国怎么办?

文琳资讯 2024-04-13
编者按


量子力学始于20世纪初,普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克等人的思想奠定了量子力学的理论框架,随后,量子物理催生出激光、晶体管和核磁共振成像等现代技术。最近几十年,量子技术发展迅猛,人们可以在原子尺度上精确控制和操纵微观粒子,新的量子控制技术有潜力催生广泛的技术革命,又一次量子革命的火苗浮现。在量子科技领域,与欧美相比,中国起步较晚,但过去二十年间,发展迅速,特别在量子通信领域,中国已经成为国际领跑者。


美国不甘落后,2018年底,颁布《国家量子倡议法案》(National Quantum Initiative Act),宣称绝不能容忍在量子科技领域落后。在中美关系陷入不确定性的大背景下,近日,美国公布了量子互联网发展的战略蓝图,以支撑《国家量子倡议法案》的顺利施行,确保美国处于全球量子竞赛的前列。美国能源部的17个国家实验室是美国量子互联网战略实施的主要支柱。


美国国家实验室制度始于20世纪上半叶,二战期间及战后,在国家战略承担和实施上,发挥了巨大的作用,满足国家重大战略需求是国家实验室的主要使命。多学科深度融合,人员和资源高效协调,使得国家实验室时至今日依然是美国国家创新核心力量的体现。费米实验室主任Nigel Lockyer指出,对于量子互联网的实施,“国家实验室是最适合来促进这种整合的”。


美国已经来了,全球量子竞赛愈发剧烈。中国虽然在量子通信领域,处于领跑者位置,但美国举全国科技力量在全面布局,我们稍有松懈,便面临被超越的风险。在量子技术的积累上,中国、美国各有其优势和不足,谁将取得量子时代的领先,未来十年将至关重要。


以下内容译自美国能源部网站:

https://www.energy.gov/articles/us-department-energy-unveils-blueprint-quantum-internet-launch-future-quantum-internet


文章来源于“知识分子”公众号,内容有调整。


全国协力建设量子网络,引领通信新时代

(芝加哥,伊利诺伊州) 当地时间7月23日,在芝加哥大学召开的新闻发布会上,美国能源部公布了一份报告,该报告规划了美国量子互联网发展的战略蓝图,提出要确保美国处于全球量子竞赛的前列,引领通信新时代。该报告为确保《国家量子倡议法案》(于2018年12月由特朗普总统签署而成为法律文件)的顺利施行,提供了行动路线。


全世界正在达成共识,即认为基于量子力学的通信系统是21世纪最重要的技术前沿之一。如今,科学家们相信,在未来十年内,这种通信系统原型机将得以实现。


今年2月,来自美国能源部的各个国家实验室、大学以及工业界的人士相聚纽约,制定了国家量子互联网的战略蓝图:阐述了需要完成的基本研究内容,描述了工程和设计上的瓶颈,并设定了近期目标。


“能源部为在国家量子互联网的发展中所发挥的重要作用感到自豪”,美国能源部长Dan Brouillette说,“通过构建这种新兴技术,美国必将继续保持和扩大量子领域的能力。”


美国能源部的17个国家实验室将成为未来量子互联网的支柱。量子互联网将基于量子力学定律来更加安全地控制和传输信息。量子互联网目前处于发展的初始阶段,它将成为一个安全的通信网络,并对科学、工业以及国家安全的关键领域产生深远影响。


在芝加哥地区,建立这样一个互联网的关键步骤已经在进行中了,那里已经成为全球领先的量子研究中心之一。今年2月,来自能源部阿贡国家实验室(位于伊利诺斯州莱蒙特)和芝加哥大学的科学家们在芝加哥郊区成功建立了一个52英里的纠缠光子“量子环”,这是美国最长的陆基量子网络之一。该网络很快将与能源部费米实验室(位于伊利诺斯州巴达维亚)连接,建立起一个80英里的三节点试验平台。


“芝加哥大学、阿贡国家实验室和费米国家实验室联合,在人才和技术上具有领导地位,使芝加哥在量子信息技术的全球竞争中处于中心地位,”芝加哥大学校长Robert J. Zimmer说,“这项工作将定义和建立全新的研究领域,并势必带来技术应用的新前沿,从而提高世界各地许多人们的生活质量,使我们的城市、州和国家具有长期竞争力。”


“在加速科技进步以促进美国繁荣和安全方面,阿贡实验室、费米实验室和芝加哥大学有着悠久的合作历史”,阿贡实验室主任Paul Kearns说,“在应对建立国家量子网络的挑战上,我们将延续传统,扩大合作,充分发挥全国各地科学家和工程师的巨大力量。”


“几十年后,当我们回望量子互联网的诞生时,我们可以说最初的连接点就在芝加哥——在费米实验室、阿贡实验室和芝加哥大学”,费米实验室主任Nigel Lockyer说,“作为现有科学生态系统的一部分,能源部的国家实验室是最适合来促进这种整合的。”


一系列独特的能力


量子传输的一个特征是,信息传递过程中,窃听是极其困难的。科学家们计划利用这一特性来建立一个几乎不可破解的网络。早期用户可能包括银行和医疗服务等行业,以及国家安全和飞机通信。最终,量子网络技术在手机中的应用可能会对全世界每一个人的生活产生广泛影响。


科学家们也正在探索量子互联网如何加速海量数据的交换。该报告称,如果网络可以进行组合和扩展,那么社会可能就处在数据通信突破的风口浪尖。


最后,创建超灵敏量子传感器网络可以让工程师能更好地监测和预测地震——一个长期的、难以企及的目标,或者是寻找地下的石油、天然气或矿产。这种传感器还可以应用于医疗健康和成像领域。


多实验室、多机构的共同努力


要创建一个成熟的量子互联网原型,需要多方的密切协调,包括能源部、国家科学基金委、国防部、国家标准与技术研究所、国家安全局、NASA等联邦机构,以及国家实验室、学术研究所和工业界。


该报告列出了关键的研究内容,包括:构建并集成量子网络设备、量子信息的保持和路由,纠错。然后,要把全国性的网络付诸实施,有四个关键的里程碑: 现有光纤网络上安全量子协议的验证;跨越校园或城市发送纠缠信息;扩展网络,实现城市间的连接;最后,通过量子中继增强信号,实现州与州间的量子网络。


“量子网络的基础取决于我们在原子尺度上精确合成和操纵物质的能力,包括单光子的控制”,芝加哥大学普利兹克分子工程学院的分子工程学Liew Family讲席教授、阿贡国家实验室高级科学家、Chicago Quantum Exchange主任David Awschalom说,“我们的国家实验室拥有世界一流的设备,可以对材料进行亚原子分辨率的成像,还有最先进的超级计算机来模拟材料的行为。这些强大的资源对于加速量子信息科学和工程的进展,以及在与学术和企业伙伴的合作中领导这一快速发展的领域来说至关重要。”


“除了与芝加哥大学的合作,费米实验室还与阿贡实验室、加州理工学院、西北大学以及科技新兴公司合作开发架构,并逐步部署和连接横跨芝加哥市的量子通信节点。很快,与这第二组合作者一起,我们将能在一个大都市网络中远距离传输数据”,费米实验室量子项目领头人Panagiotis Spentzouris说,“这份蓝图很重要,它告诉我们如何在全国范围内开展这项工作。”


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设在劳伦斯伯克利国家实验室的能源部Energy Sciences Network合作,已经建立了一个80英里的量子网络试验平台,同时正积极地在纽约州、橡树岭国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室进行网络的扩展。其他研究小组则专注于开发信息高度安全的量子密码系统。


延伸阅读:牟承晋:美国开启“量子互联网”进程,中国怎么办?

来源:红色文化网

作者:牟承晋


一、美国公布了“量子互联网蓝图”

7月23日,美国能源部(DOE)通告了构建与既有因特网并行的“量子互联网(Internet)美国蓝图”。美国科学部副部长保罗•佐巴撰文称,“我们向完全安全的互联网(Internet)又迈进了一步”,“量子互联网将把能够解决难以置信的复杂性挑战计算机连接起来,使信息的流动变得更快,开启科学研究和经济发展的全新领域”。

该蓝图列出了实现目标的优先研究机会:

1、为量子互联网提供基础构建模块;

2、集成量子网络设备;

3、为量子纠缠创造重复、交换和路由技术;

4、允许量子网络功能的错误修正。

显见,量子互联网不仅仅是为了更好地解决安全问题,不仅仅是对于采用IPv6协议过渡的“量”和“质”的飞跃。在网络基本协议、基础结构、基础设施、路由解析、功能应用、未来互联等所有方面,都很可能彻底摈弃IPv6,构建与美国军方稳定可靠的IPv4核心网络平台并行不悖的全新系统。据悉,美军已经打算“出售”IPv4的IP地址,也许量子互联网的域名地址体系,已经有了可以替代IPv6、兼容IPV4的重大科研成果?

美国能源部的通告,再次证实了我们对美国早已策划构建新型网络替代目前的因特网(Internet)的预测。当我们还在为“规模部署IPv6”不遗余力时,我们很可能在网络科学技术的基础理论研究和工程技术的应用方面,又被美国远远甩在了后边。落后,将不是半个世纪、甚至是一个世纪。

二、我国让渡网络主权的战略失误

我国1994年全面接入因特网时,并没有真正认识到因特网是美国控制的主权网络,没有认识到它将带给我们网络主权进而国家主权“受制于人”的巨大危险性、严重性和复杂性。我国几乎未加防范地接受了美国设计、构建的因特网(美国主权网络),还主动称其为“国际互联网”。

“全面接入因特网”,不仅是全面接受美国的网络科学技术,也是全面接受美国制定的网络管控规则,以及美国灌输与导引的因特网构建、形成、维护、发展理念。其中重要的是,全盘接受了美国单方面规范的域名、IP地址、AS编码体系,以及其完整的DNS解析系统(包括网络通讯路由表等)。

换言之,我国向美国“让渡”了属于国家网络主权范畴的关键部分,包括知识产权所有权、域名地址分配权、法律管辖裁判权、路由主导支配权等等;“让渡”了直接关系国家安全的因特网域名地址体系构成的我国网络信息安全空间。

2015年第二届乌镇大会之前,我国领导人几乎没有在公开国际场合呼吁“网络主权”,我国政府没有在网络主权问题上同美国据理力争。我国的因特网.CN国家顶级域名,2002年就被交易给了具有洛克希德•马丁公司背景的美国Neustar公司全球注册经营,Neustar在5年间就在世界各地发展了81家.CN域名中国海外注册商(不包括港澳台地区)。

这些年,我们已经比较深刻地认识到,美国从一开始就充分利用其网络科技优势,不断侵蚀、蚕食我国的网络信息主权和安全。十多年前,美国民主党的希拉里就公开趾高气扬地宣称,穿过中国的(网络)“长城防火墙”,可以到达中国的任何地方。不久前,美国共和党的班农等更是进言美国政府,咄咄逼人地敦促,“美国政策必须要求中国拆除其长城防火墙”。班农断言,今年的美国总统大选前,实现“拆除”中国的(网络)“长城防火墙”,技术不是问题。

实际上,1998年前后,中国工程院院士童志鹏、周仲义、魏正耀、倪光南以及中国科学院教授吕述望、赵战生等,都旗帜鲜明地提出了我国的网络主权和安全问题,提出构建自主创新、不受制于人的我国主权公众网络。在党的十五大领导人的默许下,原信息产业部、科技部低调但明确地支持了中国科技人员自主研发IPV9、参与制订未来网络国际标准等创新活动。

但是,“韬光养晦”、“借船出海”的大环境还是掩盖、吞噬、遏制了我国网络主权和安全的呼声。我国网络主权和安全的声索,被卷入了一个个孤立的“技术发明”漩涡,没有形成自上而下、自下而上同心同德的振兴合力、举国协力。我国网络信息业界长期滋长、纵容网络术语的混乱和无知、网络基础理论研究的断层和荒废,网络科技教育的浅薄和混沌,贻害匪浅,是导致我国网络信息空间主权和安全战略失误的重要原因。

例如,因特网是不是“互联网”?网络是虚拟世界还是物理实体组合的客观存在?如何界定网络空间的真实或虚拟存在?软件究竟是什么?软硬件一体是软件驱动、控制硬件,还是硬件固化、指引软件?因特网的关键技术、重要基础设施究竟是些什么?等等,等等。这些年,在不切实际“规模部署IPv6”的推动下,在某些自诩“因特网全能专家”的蓄意操弄下,我国业界、网民乃至政府主管部门被误导、迷惑日益加深。

三、必须坚定颠覆因特网体系的创新自信

最早的电子网络,是为解决通讯问题产生的。两部电话之间通过有线或无线传导,形成一对一的“通讯链路”。链接(连接)的通讯终端多了,就成了“网络通讯”。“长江长江,我是黄河”,“1号,2号请你通话”,“宝塔山,山鹰呼叫”,都是最初(原始)的呼叫联络形式,由简单约定的标识、代码或符号组成。无论明码还是暗码,都是人为地根据需要设置、编制的,与物理的设施设备没有必然的关系。

由此考量,我们通常习惯表述的“网络空间”、“网络信息空间”需要深加揣度。究竟是人为设计的约定边界、边缘定义和相互联系代码的空间,还是客观存在的明确物理架构而不依赖人为设定的空间?

所有标识、代码或符号,即便事先约定,也可以根据需要随时进行改变、交换、移动(包括伪装)。可以设想,1号、2号也可以是任何X号、Y号,即人为约定的任何数字、符号、代码。长江、黄河,也可以人为约定、变化为延安、北平,大海、高山,山鹰、麻雀,等等。

请注意,美国可以约定,中国也可以约定;任何数字、符号或代码的约定俗成,没有专利,没有特权,没有一定之规,没有任何技术上的限制;同一应用场景的约定,可以是一套,也可以是多套,可以一直不变,也可以随机应变。

由美军阿帕网,为了解决美国核打击能力的迂回控制,延伸、扩展为教育科研网和商业情报网作掩护的因特网,如今成了“国际互联网”,成了中国“互联网+”经济社会发展平台,这是美国乃至世界始料不及的。颇有点当初“误打误撞”、“祸福相依”的意思。但是,万变不离其宗。

美国发现,最初单方面一厢情愿设计规划的因特网IPv4的域名、IP地址、AS自治域编码体系不够用了,就推出了IPv6。继而发现,IPv6与IPv4不具有互操作性,必须在已经可靠掌控的IPv4平台以外,构建独立特行又必须与IPv4并行、可以逐步转移IPv4既有部分应用功能的IPv6专用平台。美军的实践表明,IPv6过渡的代价和风险太大,得不偿失。

一方面,美国竭力向中国、印度等世界其他国家和地区推销IPv6,使之成为事实上的美国IPv6实验域。另一方面,美军三次搁置(停滞)IPv6过渡计划。IETF终于在2017年7月废弃了IPv6过渡计划(IPng)。究其根本的原因,是既有因特网的环境生态反复验证,IPv6存在太多不确定、不可控、难以预料的安全隐患和陷阱,超出了目前稳定运行的因特网IPv4的可控范围。

美军的重心和着力点,事实上早就集中于秘密地加固美军IPv4核心网和创新研发可替代网。我国业界人士早就预判,美国的可替代网很可能是量子网、光子网或引力网。

在我国,迄今还没有弄清楚“因特网是不是互联网”,还在迷恋、追随“规模部署IPv6”,不知所以,费力不讨好。

从网络科学技术角度说,我国至少已经比美国落后了半个世纪。2030年以前,如果我国不能全面突破因特网的理论和实践桎梏,高起点创新构建我国自主可控的未来网络,恐将更加被动于美国,滞后、受制将不止一个世纪。

因特网的域名、IP地址和AS域编码体系及其DNS解析系统(包括路由表等),既然是美国单方面一厢情愿设计、规范、制定的约束他国手脚的“网络法则”,可以是美国借助的过渡升级计划,也可以是他国权作应急转换的方案。美国任何时候、任何情况下都不可能允许他人染指、介入、共管因特网,我们决不能再存幻想。中国必须努力创造“以我为主”、抵制“让渡”、制衡美国的既有网络政治和技术条件。

是否可以在因特网既有网络环境生态平台上,设计、规范、制定自主可控的域名、IP地址和AS域编码体系及其DNS解析系统(包括路由表等),寻求与美国IPv4、IPv6的互操作性与可转换、替代性,以促进我国主导的未来网络后发先至,是我国创新网络基础理论、创新网络科技实践以及创新网络生态环境(包括法治环境)必须的重要选项。

我国完全有可能以最低的代价,换取网络关键技术颠覆性的重大变革。我们必须坚定颠覆因特网既有体系的创新自信,决不能再有丝毫的迟疑、彷徨和退缩!


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