美国的量子互联网剑指何方?

7月23日,美国能源部公布了一份报告,该报告的标题是:全国协力建设量子网络,引领通信新时代。此事经媒体报道以后,陷入困境的中科大量子通信工程团队以为捞到了救命稻草,兴奋之状溢于言表。他们高兴得太早了,其实他们并没有真正读懂该份报告[1]。

从这份被称为“美国量子互联网发展的战略蓝图”的报告中可以清楚看出,美国将立足于“量子互联网”,主要从事科学研究。而中国倾力于“量子密钥分发技术”(QKD),专注于工程化、产业化。两者基本上是各做各的,根本不处在同一层次上,就像苹果与桔子,没有什么可比性。详见表一。

量子信息技术主要包括量子计算机、量子通信和量子传感技术三个方面。美国的思维是从基础设施做起,建设量子互联网,将用户、量子计算机、量子传感器等节点等连成一体,融合量子计算机、量子通信和量子传感技术为一体,推动它们共同发展。

这有点像在深山老林里建设市镇,美国的做法是先着手“三通一平”,干的是苦差使,却不见楼起来;中国是不管三七二十一先把楼房建起来,结果是路不通电不来没有人居住,结果成了烂尾楼。这两种做法最后很可能是殊途同归,都是赔本赚吆喝,这其实就是整个量子信息技术目前的现状。

在未来相当一段时期中,量子互联网和QKD的努力都难有实质性效果,如果非要做比较的话,美方的做法还是略胜一筹。这可以从两个方面来看。

首先,美国在下面十年中主要是做基础性科学研究,他们想要对付的是诸如量子中继、量子比特存贮和量子通信协议等一系列拦路虎。虽然某些目标有点好高骛远、不切实际,但是作为基础性研究也未尚不可。即使这些研究成果有限,但至少也可以培养出一批量子信息技术方面的人才,否则真的会“队伍不好带了”。其实这才是美国发展量子互联网的真实想法[2]。

其次,美国是在“明修栈道 暗渡陈仓”,看似在做量子互联网,其实剑指量子计算机。量子互联网的主要目标就是量子计算机联网,与QKD没什么关系,QKD最多也是量子互联网水到渠成后的一个付产品。有了量子互联网,可以把分散在各处的量子计算机资源有机地组合起来发挥更大的潜能,同时也可让人们更方便地使用量子计算机,这才是美国朝思暮想的目标[3]。

量子计算机才是所有量子信息技术的龙头,有了它才能把量子通信和量子传感技术有机地结合起来产生实际效益,抓住量子计算机这个龙头,抓纲带目方可“纲举目张”。

前几天,关于美国能源部的报告有人发了个评论,还给评论加了这样一个导读:[4]:《民科们反量子通信的常见理由之一,就是美国不搞这个,可见它没有用处”。现在美国明确要用国家力量来搞了,这些人要不要说“美国政府也被骗了,美国搞量子通信的是骗子”呢?》

这位科普网红的这段评论 “Not even wrong”,他对量子通信、量子互联网和QKD的一些最基本概念都没有弄明白。

美国的量子互联网是涵盖量子计算机、量子通信和量子传感等技术的综合发展规划,着力于科学研究;而中国只是利用量子力学原理为传统密码分发密钥,做的是QKD的工程化产业化,连量子通信都算不上。两者在不同层次做着完全不同的工作,苹果与桔子毫无可比性。用别人吃苹果来证明自己吃桔子没有错,逻辑之混乱莫此为甚!

“现在美国明确要用国家力量来搞了”,这句话也是严重歪曲事实。这次启动量子互联网科研规划的是美国能源部,预计在未来5年中投入资金总额仅为6亿2千5百万美元。这点钱能做些什么?估计每年的经费拿来买一架F35都有点紧张。须知,这笔钱是要分到各个国家实验室和大学里,落地后岂不就成了毛毛细雨。这笔五年的总投资还不及我们UCLA的医学院一年的科研经费。单从资金投入规模来看,量子互联网根本算不上“美国明确要用国家力量来搞的”项目。为了带节奏可以完全置事实数据于不顾,这绝不是一个科普工作者之所为。

这位科普网红只要谈及量子通信总是语无论次、逻辑混乱,不知是否与他的中科大身份有关,他这次的失态究竟是护主心切还是临危受命就只有天知道了。其实我真心希望他仅仅是无知,只怕是利益驱使屁股决定脑袋,一个把利益放在是非对错之上的人,他的科普之路一定走不远。现在确实有不少精致的利己主义者常常一本正经地胡说八道,郑重其事地胡言乱语,他们只有被利益驱动的强健双腿,偏偏缺失明辩是非的目光。

下面对量子互联网和QKD再作更深入一些的分析比较。

量子互联网可以理解为支撑量子通信的一种新型功能网络,它不是、也不可能替代传统的互联网,而是传统互联网功能的延伸和补充。在传统互联网上传输的是由电信号承载的传统比特(bit),量子互联网传输的则是由量子态承载的量子比特(Qbit)。

人们以为互联网就是各种光纤、电缆和天线的组合,其实是大错特错了,支撑起互联网的功臣是路由器、交换机、服务器和TCP/IP通信协议,是它们的大力协作才能使传统比特信息高速、安全、准确、有序地传达四方。

同理,量子互联网的关键设备就是量子路由器、量子交换机和量子通信协议。但是由于量子态与传统电信号完全不一样,我们以往设计制造互联网设备的知识和经验基本上都没有用处,真是老革命碰到了新问题。发展量子子互联网对人类在原子尺度上精确操纵物质的能力提出了极高要求,很多关键技术瓶颈尚待突破。毫不夸张的说,“量子互联网难,难于上青天!”

从原理层面来看,所有传统互联网上的网络设备其实就是特种形式的电子计算机,同理,量子互联网的设备必定就是特种形式的量子计算机。所以优先发展量子计算机是唯一正确的决策。传统互联网就成形于计算机技术的成熟之后,历史的经验不能忘记。

量子计算机关键技术不突破,不管是量子通信还是“量子密钥分发”必定行不稳、走不远。在量子计算机技术落后的情况下,坚持声称在量子通信领域领先西方十多年,这种说法不应出自科学家之口。

美国规划量子互联网也可看作否定量子密钥分发技术的另一种表达方式,而英美的情报和军方对量子密钥分发工程则公开持否定态度[5]。中国量子通信推动者想借美国量子互联网规划作为自己的挡箭牌只能是自取其辱。

中国的“量子通信”根本就不是一种新的通信技术,在京沪量子通信干线上,北京客户想向上海的朋友送一个“Hello”都办不到。中国的“量子通信”其实只是量子密钥分发(QKD),就是用量子力学原理为端到端的两个用户协商出一个隨机数,用作对称密码算法的密钥。

京沪量子保密通信干线不是量子互联网的一条干线。因为光子在光纤中传播时必定有衰减,单个光子是无法从北京全程传递到上海,而带有量子比特信息的光子又不能用传统放大器为其接力加油。百般无奈之下只能在北京至上海的一路上建立30多个可信中继站,中继站之间的距离大约60多公里,光子每到一个中继站就结束了它的使命,把承载的量子比特转换成传统比特,然后依靠传统电子设备作后续处理。由于密钥在这些中继站里是以明文形式存在,必须挑选许多可信任的人员24小时值班驻守,所以它们又被称为可信中继站。

由此可知,京沪量子保密通信干线没有办法让量子比特从北京直接送到上海,这让我想起了五六十年代的京沪铁路。在没有南京长江大挢的岁月里,北京到上海的火车必须在南京浦口停下来,被拆成一段段装在船上摆渡过长江,又慢又不安全。严格来说当时的京沪铁路只能算是用摆渡船连接起来的两段铁路的代名词。同理,京沪量子保密通信干线其实也就是30多段简易量子通道的堆砌物,把它当作量子互联网的一条支线都是不合格的。请记住,至今量子互联网不存在(To date,no quantum Internet exists.)这是量子通信界的共识,写在了“美国量子互联网发展的战略蓝图”的报告中。

目前量子保密通信QKD诸多技术困境中最主要的是“无法与互联网兼容”和“可信中继站的安全隐患”,这二个严重的问题其实都因为没有量子互联网的基础设施造成的。QKD应该是量子互联网的一种应用,运行在量子互联网上的QKD就可以彻底摆脱“可信中继站”的恶梦,它也才有了为传统互联网服务的可能。

QKD只是量子互联网上的一种应用,没有量子互联网的基础设施,包括QKD等所有量子通信应用都是浮云。没有量子互联网时,同时开展有关QKD的研究当然也可以,但直接上QKD工程就悲剧了。请设想一下,没有现在的互联网,依靠电话座机和传真机马化腾有那个本事推出微信来吗?但是这样浅显的道理某些物理学家偏不懂,他们一定要把马车放在马前边,而且还不让人质疑,真的让人无语。

量子互联网就是那匹马,它是拉动各种量子信息技术发展的原动力。但是这匹马目前只存在纸张上,其实美国科技界对能源部的量子互联网规划并不乐观,原因很简单,量子互联网对人类在原子尺度上精确操纵物质的能力提出了极高的挑战,很多关键技术瓶颈尚待突破。在这样的形势下盲目推动量子密钥分发工程化,陷入困境就是必然的结果。

[1] Report of the DOE Quantum Internet Blueprint Workshop https://www.osti.gov/servlets/purl/1638794

[2] the centers will focus on training and education to ensure the United States has a quantum-ready workforce.

[3] NSF Quantum Leap Challenge Institute for Hybrid Quantum Architectures and Networks at University of Illinois at Urbana-Champaign. This institute will build interconnected networks of small-scale quantum processors and test their functionality for practical applications.

[4] https://mp.weixin.qq.com/s/oFTCglTqMqeetbArkQ3-zw

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