美國的量子互聯網劍指何方？

7月23日，美國能源部公布了一份報告，該報告的標題是：全國協力建設量子網絡，引領通信新時代。此事經媒體報道以後，陷入困境的中科大量子通信工程團隊以為撈到了救命稻草，興奮之狀溢於言表。他們高興得太早了，其實他們並沒有真正讀懂該份報告[1]。

從這份被稱為“美國量子互聯網發展的戰略藍圖”的報告中可以清楚看出，美國將立足於“量子互聯網”，主要從事科學研究。而中國傾力於“量子密鑰分發技術”（QKD），專注於工程化、產業化。兩者基本上是各做各的，根本不處在同一層次上，就像蘋果與桔子，沒有什麽可比性。詳見表一。

量子信息技術主要包括量子計算機、量子通信和量子傳感技術三個方麵。美國的思維是從基礎設施做起，建設量子互聯網，將用戶、量子計算機、量子傳感器等節點等連成一體，融合量子計算機、量子通信和量子傳感技術為一體，推動它們共同發展。

這有點像在深山老林裏建設市鎮，美國的做法是先著手“三通一平”，幹的是苦差使，卻不見樓起來；中國是不管三七二十一先把樓房建起來，結果是路不通電不來沒有人居住，結果成了爛尾樓。這兩種做法最後很可能是殊途同歸，都是賠本賺吆喝，這其實就是整個量子信息技術目前的現狀。

在未來相當一段時期中，量子互聯網和QKD的努力都難有實質性效果，如果非要做比較的話，美方的做法還是略勝一籌。這可以從兩個方麵來看。

首先，美國在下麵十年中主要是做基礎性科學研究，他們想要對付的是諸如量子中繼、量子比特存貯和量子通信協議等一係列攔路虎。雖然某些目標有點好高騖遠、不切實際，但是作為基礎性研究也未尚不可。即使這些研究成果有限，但至少也可以培養出一批量子信息技術方麵的人才，否則真的會“隊伍不好帶了”。其實這才是美國發展量子互聯網的真實想法[2]。

其次，美國是在“明修棧道 暗渡陳倉”，看似在做量子互聯網，其實劍指量子計算機。量子互聯網的主要目標就是量子計算機聯網，與QKD沒什麽關係，QKD最多也是量子互聯網水到渠成後的一個付產品。有了量子互聯網，可以把分散在各處的量子計算機資源有機地組合起來發揮更大的潛能，同時也可讓人們更方便地使用量子計算機，這才是美國朝思暮想的目標[3]。

量子計算機才是所有量子信息技術的龍頭，有了它才能把量子通信和量子傳感技術有機地結合起來產生實際效益，抓住量子計算機這個龍頭，抓綱帶目方可“綱舉目張”。

前幾天，關於美國能源部的報告有人發了個評論，還給評論加了這樣一個導讀：[4]：《民科們反量子通信的常見理由之一，就是美國不搞這個，可見它沒有用處”。現在美國明確要用國家力量來搞了，這些人要不要說“美國政府也被騙了，美國搞量子通信的是騙子”呢？》

這位科普網紅的這段評論 “Not even wrong”，他對量子通信、量子互聯網和QKD的一些最基本概念都沒有弄明白。

美國的量子互聯網是涵蓋量子計算機、量子通信和量子傳感等技術的綜合發展規劃，著力於科學研究；而中國隻是利用量子力學原理為傳統密碼分發密鑰，做的是QKD的工程化產業化，連量子通信都算不上。兩者在不同層次做著完全不同的工作，蘋果與桔子毫無可比性。用別人吃蘋果來證明自己吃桔子沒有錯，邏輯之混亂莫此為甚！

“現在美國明確要用國家力量來搞了”，這句話也是嚴重歪曲事實。這次啟動量子互聯網科研規劃的是美國能源部，預計在未來5年中投入資金總額僅為6億2千5百萬美元。這點錢能做些什麽？估計每年的經費拿來買一架F35都有點緊張。須知，這筆錢是要分到各個國家實驗室和大學裏，落地後豈不就成了毛毛細雨。這筆五年的總投資還不及我們UCLA的醫學院一年的科研經費。單從資金投入規模來看，量子互聯網根本算不上“美國明確要用國家力量來搞的”項目。為了帶節奏可以完全置事實數據於不顧，這絕不是一個科普工作者之所為。

這位科普網紅隻要談及量子通信總是語無論次、邏輯混亂，不知是否與他的中科大身份有關，他這次的失態究竟是護主心切還是臨危受命就隻有天知道了。其實我真心希望他僅僅是無知，隻怕是利益驅使屁股決定腦袋，一個把利益放在是非對錯之上的人，他的科普之路一定走不遠。現在確實有不少精致的利己主義者常常一本正經地胡說八道，鄭重其事地胡言亂語，他們隻有被利益驅動的強健雙腿，偏偏缺失明辯是非的目光。

下麵對量子互聯網和QKD再作更深入一些的分析比較。

量子互聯網可以理解為支撐量子通信的一種新型功能網絡，它不是、也不可能替代傳統的互聯網，而是傳統互聯網功能的延伸和補充。在傳統互聯網上傳輸的是由電信號承載的傳統比特(bit)，量子互聯網傳輸的則是由量子態承載的量子比特(Qbit)。

人們以為互聯網就是各種光纖、電纜和天線的組合，其實是大錯特錯了，支撐起互聯網的功臣是路由器、交換機、服務器和TCP/IP通信協議，是它們的大力協作才能使傳統比特信息高速、安全、準確、有序地傳達四方。

同理，量子互聯網的關鍵設備就是量子路由器、量子交換機和量子通信協議。但是由於量子態與傳統電信號完全不一樣，我們以往設計製造互聯網設備的知識和經驗基本上都沒有用處，真是老革命碰到了新問題。發展量子子互聯網對人類在原子尺度上精確操縱物質的能力提出了極高要求，很多關鍵技術瓶頸尚待突破。毫不誇張的說，“量子互聯網難，難於上青天！”

從原理層麵來看，所有傳統互聯網上的網絡設備其實就是特種形式的電子計算機，同理，量子互聯網的設備必定就是特種形式的量子計算機。所以優先發展量子計算機是唯一正確的決策。傳統互聯網就成形於計算機技術的成熟之後，曆史的經驗不能忘記。

量子計算機關鍵技術不突破，不管是量子通信還是“量子密鑰分發”必定行不穩、走不遠。在量子計算機技術落後的情況下，堅持聲稱在量子通信領域領先西方十多年，這種說法不應出自科學家之口。

美國規劃量子互聯網也可看作否定量子密鑰分發技術的另一種表達方式，而英美的情報和軍方對量子密鑰分發工程則公開持否定態度[5]。中國量子通信推動者想借美國量子互聯網規劃作為自己的擋箭牌隻能是自取其辱。

中國的“量子通信”根本就不是一種新的通信技術，在京滬量子通信幹線上，北京客戶想向上海的朋友送一個“Hello”都辦不到。中國的“量子通信”其實隻是量子密鑰分發(QKD)，就是用量子力學原理為端到端的兩個用戶協商出一個隨機數，用作對稱密碼算法的密鑰。

京滬量子保密通信幹線不是量子互聯網的一條幹線。因為光子在光纖中傳播時必定有衰減，單個光子是無法從北京全程傳遞到上海，而帶有量子比特信息的光子又不能用傳統放大器為其接力加油。百般無奈之下隻能在北京至上海的一路上建立30多個可信中繼站，中繼站之間的距離大約60多公裏，光子每到一個中繼站就結束了它的使命，把承載的量子比特轉換成傳統比特，然後依靠傳統電子設備作後續處理。由於密鑰在這些中繼站裏是以明文形式存在，必須挑選許多可信任的人員24小時值班駐守，所以它們又被稱為可信中繼站。

由此可知，京滬量子保密通信幹線沒有辦法讓量子比特從北京直接送到上海，這讓我想起了五六十年代的京滬鐵路。在沒有南京長江大撟的歲月裏，北京到上海的火車必須在南京浦口停下來，被拆成一段段裝在船上擺渡過長江，又慢又不安全。嚴格來說當時的京滬鐵路隻能算是用擺渡船連接起來的兩段鐵路的代名詞。同理，京滬量子保密通信幹線其實也就是30多段簡易量子通道的堆砌物，把它當作量子互聯網的一條支線都是不合格的。請記住，至今量子互聯網不存在（To date，no quantum Internet exists.）這是量子通信界的共識，寫在了“美國量子互聯網發展的戰略藍圖”的報告中。

目前量子保密通信QKD諸多技術困境中最主要的是“無法與互聯網兼容”和“可信中繼站的安全隱患”，這二個嚴重的問題其實都因為沒有量子互聯網的基礎設施造成的。QKD應該是量子互聯網的一種應用，運行在量子互聯網上的QKD就可以徹底擺脫“可信中繼站”的惡夢，它也才有了為傳統互聯網服務的可能。

QKD隻是量子互聯網上的一種應用，沒有量子互聯網的基礎設施，包括QKD等所有量子通信應用都是浮雲。沒有量子互聯網時，同時開展有關QKD的研究當然也可以，但直接上QKD工程就悲劇了。請設想一下，沒有現在的互聯網，依靠電話座機和傳真機馬化騰有那個本事推出微信來嗎？但是這樣淺顯的道理某些物理學家偏不懂，他們一定要把馬車放在馬前邊，而且還不讓人質疑，真的讓人無語。

量子互聯網就是那匹馬，它是拉動各種量子信息技術發展的原動力。但是這匹馬目前隻存在紙張上，其實美國科技界對能源部的量子互聯網規劃並不樂觀，原因很簡單，量子互聯網對人類在原子尺度上精確操縱物質的能力提出了極高的挑戰，很多關鍵技術瓶頸尚待突破。在這樣的形勢下盲目推動量子密鑰分發工程化，陷入困境就是必然的結果。

 

[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

[5] 

英美等國家如何評估“量子通信”工程化

https://zhuanlan.zhihu.com/p/89453354

美國國防部對量子通信技術的最新評估

https://zhuanlan.zhihu.com/p/106838576

否決量子通信工程 英國情報部門再發白皮書

https://zhuanlan.zhihu.com/p/130271746