美國特朗普政府正在申請一項投資2.37億美元用於支持量子信息研究的預算，如果獲得國會批准，將為推動量子互聯網發展提供重要資金基礎。目前中國和美國在面向未來的下一代量子信息技術領域展開激烈競爭。在業界看來，量子信息技術的發展更像是一場“馬拉松”，而不是“短跑”。

構建廣泛覆蓋的量子網絡

根據最新國會審議的預算，特朗普政府將2021年科研經費整體削減了近10%，但出人意料地將量子信息科學的開支增加約20%至2.37億美元。其中，能源部要求2500萬美元來加速量子互聯網的發展。量子信息技術有望徹底改變網絡安全和材料科學等領域。

如果美國國會在2021年的預算中批准量子信息科學，研究人員將能為他們的實驗提供額外的資金。美國能源部負責科學的副部長保羅·達巴爾（Paul Dabbar）表示:“我們有一個長期的願景，那就是把所有的國家實驗室連接起來，從東海岸到西海岸。”

“這種水平的資金將使我們能夠開始為複雜、實用和高影響力的量子網絡奠定基礎，意義極其重大。” 芝加哥大學的量子工程師大衛·奧沙龍（David Awschalom）教授表示。

中國已經實現了在某些城市之間進行量子加密的早期應用，但要建立完全覆蓋整個國家的量子網絡至少還需要幾十年的時間。構建這樣的網絡還需要重新設計量子路由器、量子存儲器和量子計算機等，這些基礎工作今天已經在進行中了。

美國能源部下屬阿貢國家實驗室與芝加哥大學已經於上個月共同完成了“量子環”系統測試，為未來國家量子互聯網建設奠定了基礎。在此次實驗中，阿貢實驗室和芝加哥大學製作了一個糾纏光子源，並將其接入芝加哥郊區的一個26英里（1英里約合1.6公里）長的光纖網絡中。研究人員根據在網絡中行走一圈的返迴光子，測量光源的糾纏程度，為進一步開展量子通信實驗做準備。

今年夏天晚些時候，阿貢國家實驗室和費米國家加速器實驗室的物理學家們還將創建雙向量子網絡，將兩個實驗室連接，使量子網絡長度增加到82英里。此外，研究人員還將嘗試進行量子隱形傳態實驗。未來，美國能源部將在17個國家實驗室間建立量子網絡，並將之推廣到全國。

絕對安全的量子加密技術

紐約布魯克海文國家實驗室的研究人員也正在通過光纖電纜將糾纏光子從傳輸到石溪大學，兩個實驗室的距離大約11英里。布魯克海文的科學家們還在測試在類似距離的空氣中糾纏光子的無線傳輸。

布魯克海文計算科學項目主任克爾斯廷·克萊斯·範達姆（Kerstin Kleese van Dam）博士對第一財經記者表示，這種糾纏光子的發送和接收相當於量子路由器，但下一步研究人員需要一個量子存儲器，來保存他們交換的信息的方式。“我們正在實現幾英里內糾纏狀態的存儲。”範達姆博士說道。

量子網絡充滿潛力，能夠通過量子加密實現超安全的數據傳輸。中國科學技術大學潘建偉團隊長期致力於量子中繼器的實用化研究，特別是在多光子糾纏製備和操縱方面處於世界領先地位。

2008年，潘建偉團隊搭建的兼顧糾纏交換和量子存儲的量子中繼器節點，為未來實現基於原子係綜系統的量子中繼器打下堅實的基礎。量子中繼是絕對安全的量子保密技術。2016年，中國發射了首顆量子通信科學實驗衛星墨子號，將一對糾纏光子發送到相距700多英里的兩個城市。這是對遠程量子密鑰分配的一個關鍵測試，粒子以幾乎不可能破解的方式加密信息。

如今中國已經建成了一條2000公里長的連接北京和上海的主幹網絡京滬幹線，銀行和其他公司可以使用這條網絡進行幾乎完全安全的加密。但是中國祇跨過了第一個里程碑。京滬幹線是點對點的量子保密通信，也就是所謂的“可信中繼”，這與量子中繼的絕對保密仍有差距。

範達姆博士指出，如果沒有量子中繼器，整個網絡依賴於幾十個“可信”節點，那麼這些“阿克琉斯之踵”會暫時讓量子魔法暫停。“我們正在等待真正安全的端到端通信。”她表示，“我們想做的超出了中國正在實現的量子通信計劃”

“美國對自己的空間科技能力保持信心，在量子通信領域的計劃顯然是瞄準了中國的’墨子號’的設計，並期待超越。”一位中國量子通信領域專家告訴第一財經記者，“我認為未來中美將在這一領域出現交替領先的局面。”