儘管量子信息產業仍處於萌芽狀態，一張雄心勃勃的“量子互聯網”構想已然成為嚴肅議題。今年來，美國和歐盟先後出台重量級的量子技術戰略性文件，均把“量子網絡”（Quantum Network）和“量子互聯網”（Quantum Internet）作為遠景目標。

這個引人注目的概念實現了目前人類對所有量子技術想像的大一統，它是實現“量子云計算”的方式，它是量子信息傳輸和儲存的平台，它是竊聽必留痕蹟的量子密碼的交換渠道，它還能組建一台世界性原子鐘，重新定義時間同步性。

在這個宏大意義上，中國在量子保密通信網絡上雖然走在世界前沿，但僅僅邁出了“量子互聯網”的第一步。尤其是長距離量子保密通信網絡中的中繼站點仍沒有得到量子技術的充分保護，這個問題也是國際規劃的主要發力點之一，需要量子糾纏、天基鏈路、量子存儲等領域的技術突破。

為了便於理解其顛覆性，“量子互聯網”常常與1960年代由美國軍方研製，後來飛入尋常百姓家的互聯網相提並論。不過，正如量子計算機不能取代經典計算機，不管是從其根本目的還是其經濟成本來說，量子互聯網並不會取代現有的互聯網。

問題一：什麼是量子互聯網？

在美國白宮國家量子協調辦公室今年2月份公開的《美國量子網絡戰略構想》（下簡稱“白宮量子構想”）中，比較籠統地將量子互聯網描述為一張由量子計算機和其他量子設備組成的龐大網絡。

該文件專門借用美國軍方首創的互聯網來描述量子互聯網的顛覆性遠景：“它將催化出許多新興技術，從而加速現有互聯網的發展，提高通信安全性，並使計算技術發生劇變。”

中國量子通信領域的領軍人物、中科院院士潘建偉在2019年接受《國家科學評論》（NSR）專訪時也以經典互聯網引出了量子互聯網：“眾所周知，互聯網是用於傳遞、處理和儲存經典信息的全球性系統。量子互聯網則可以對量子信息進行同樣的傳遞、處理和存儲。量子比特和量子糾纏（量子比特互相關聯的狀態）將是量子互聯網的基本資源。”

歐洲量子技術旗艦計劃3月發布的一份戰略研究議程（下簡稱“歐洲量子議程”）的描述將上述兩種說法串聯拿起來：量子計算機、模擬器和傳感器通過量子網絡互聯，分配信息和量子資源（如相干、糾纏），從而保障數字基礎設施的安全。

我們可以總結出，量子互聯網之所以冠以量子之名，實具備三大要點：一是該網絡連接的設備是量子設備，二是該網絡傳輸的資源是量子特性，三是該網絡傳輸的方式依賴量子機制。

當然，像商用量子計算機這樣的先進量子設備仍遙遙無期，要連接量子計算機的成熟量子互聯網總體上確是未來概念。

問題二：量子互聯網與量子保密通信網的關係是什麼？

從現階段看，中國在量子保密通信網的建設上走在世界前列。

潘建偉認為，量子互聯網首要的實際任務是以一種無條件安全的方式進行全球性的密鑰共享，也就是說，量子信息是完全防篡改的。

如果將隨機產生的密碼編碼在光子的量子態上，依據量子不可克隆定理，一個未知的量子態不能夠被精確地複制，一旦被測量就會被破壞。因此，一旦有人竊取並試圖自行讀取量子密鑰，一定會被發現。只有使用雙方約定的“打開方式”，才能得到正確的密碼信息。

量子不可克隆定理雖然保證了這種量子密鑰分發（QKD）技術被竊聽必留痕跡，但也在工程上帶來了無法像電信號一樣被增強的難題。光子通過長距離光纖傳輸，必然會產生損耗。

2017年，全長2000餘公里的世界首條量子保密通信骨幹線路“京滬幹線”開通，設置32個站點，採用“可信中繼”方案，通過人工值守、網絡隔離等手段保障中繼站點內的信息安全。

雖然“可信中繼”用經典技術手段防止了鏈路節點入侵，但相對於量子通信可理論證明的安全性，中繼站還是“量子魔法”的斷點，目前的“量子密碼”需要時間來實現“純量子鏈路”。

另一方面，量子保密通信傳輸的是隨機生成的量子密鑰，而非內容信息。

對照此前所說的量子互聯網定義，它尚不能連接量子計算機等前沿量子設備，也不能傳輸糾纏等量子資源，傳輸機制並未實現完全的“量子化”。

“京滬幹線”設備供應商科大國盾量子技術股份有限公司（以下簡稱國盾量子）總裁趙勇認為，各國推進的基於量子密鑰分發（QKD）的量子保密通信網絡就是“量子互聯網”的初級階段，首先實現信息安全方面的應用，最終的目標是“全量子網絡”，將量子計算、量子傳感和測量等功能融入進來，形成量子安全網絡、分佈式量子計算和量子傳感網絡。

“從初級到終極，信息安全應用的定位貫穿量子網絡的始終，而量子密鑰分發也將隨著網絡的升級而升級，貫穿始終。”他說道。

問題三：量子互聯網需要哪些關鍵技術？

量子互聯網遠景需要量子通信、量子精密測量、量子計算等領域全方位的突破，鑑於一些國家已經開始構建初級的量子保密通信網絡，要從這個領域切入實現突破，最關鍵的還是解決上文提到的“距離”問題。

一方面，要用量子中繼器來取代人工保障的中繼站，利用量子糾纏來實現量子態的遠距離傳送。

簡單來說，處於糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變（比如人們對其進行測量），另一個的狀態會瞬時發生相應改變，彷彿“心靈感應”。

假設信息的接收方和發送方各有一個光子，他們再各自派出一個與之糾纏的光子作為“中介”，讓兩個“中介”光子在中繼站點糾纏起來，那麼兩者手中留下的光子也會形成糾纏關係。

這過程中，還需要解決量子儲存、量子糾纏操作等複雜問題，與量子計算息息相關。可以說，量子中繼器研究會助推量子計算的發展。

另一方面，高軌道的衛星可以作為天基中繼站點，覆蓋超長距離的量子網絡。2017年，潘建偉團隊利用世界首顆量子通信實驗衛星“墨子號”，成功將一對糾纏光子分發到距離1200千米的兩個站點。

而據WIRED網站報導，NASA計劃在2020年代中後期建立歐洲和北美之間的天基量子鏈路，可能先利用現成的國際空間站進行演示，實現精準時間的糾纏光子分發。

問題四：各國關於量子互聯網的規劃和進展如何？

釐清量子保密通信網絡與量子互聯網的關係，了解量子中繼技術和天基鏈路的重要性之後，我們才容易理解美國和歐洲關於量子互聯網的規劃。

白宮量子構想提出，在未來5年中，美國公司和實驗室將演示量子網絡的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道和探索跨洲際距離的天基糾纏分發。同時，將查明這些系統的潛在影響和改進的應用，以獲得商業、科學、衛生和國家安全方面的益處。

未來20年遠景則是量子互聯網鏈路利用網絡化量子設備實現經典技術無法實現的新功能，同時促進人類對糾纏作用的理解。

總投資10億歐元的歐洲量子旗艦計劃認為，實現量子網絡的目的是超越短距離的量子密鑰分發，充分發揮量子通信的潛力，最終走向全球量子互聯網。為了分配糾纏資源，實現更複雜的應用，量子中繼器是必要的。在這方面需要顯著的研發投入。

歐洲量子旗艦計劃在3年願景中提到，利用QKD協議和可信節點網絡開發天基量子密碼；演示一個可作為未來量子中繼器構成模塊的初級鏈路。

中長期目標（6～10年願景）包括：利用量子中繼器演示800公里以上距離的量子通信；演示至少20個量子比特的量子網絡節點；演示利用衛星鏈路產生糾纏等。

中國尚未提出量子互聯網戰略，但在2019年12月中共中央、國務院發布的《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》中明確：“加快量子通信產業發展，統籌佈局和規劃建設量子保密通信幹線網，實現與國家廣域量子保密通信骨幹網絡無縫對接，開展量子通信應用試點。”

在項目進展方面，今年2月，潘建偉團隊在合肥演示了50公里遠的量子存儲器糾纏，刷新世界紀錄。

同在伊利諾伊州的美國能源部阿貢和費米國家實驗室有望成為美國量子互聯網上的首兩個節點，今夏將通過芝加哥郊區地下一段30英里長的光纖來試驗性地交換量子信息，建立雙向鏈路。

歐洲多個研究機構則已成立“量子互聯網聯盟”，計劃近年在荷蘭完成包含3-4個量子中繼節點的鏈路演示，為未來的泛歐量子互聯網勾勒藍圖。

問題五：量子互聯網有哪些未來應用？

潘建偉在NSR訪談中提到，互聯網的發明將人類帶入信息時代，量子互聯網則將提供另一個能夠真正改變世界的機會。

例如，量子計算機會成為量子互聯網的重要部分。量子計算機建造成本高昂，至少在早期，它將僅通過量子互聯網提供公共服務。在這個場景中，用戶能夠通過量子互聯網接入到量子計算機，通過傳遞量子比特上傳任務並下載結果。這也就是量子云計算的概念。

哈佛大學量子物理學家Mikhail Lukin在2018年的一篇《自然》新聞報導中也表示，從現階段來看，量子計算機需要通過互聯來超越幾百個量子比特的規模。

參與歐洲“量子互聯網聯盟”的荷蘭科學家Ronald Hanson則補充道，更棒的是，量子云計算還得到了量子保密。

歐洲“量子互聯網聯盟”還展望了量子互聯網在廣義科學領域的變革性影響，例如把距離遙遠的原子鐘互聯，大幅提高時間準確性。天文學家也可以解決甚長干涉基線中的時間同步問題，讓距離遙遠的望遠鏡強有力地合體。

問題六：量子互聯網會否替代現有互聯網？

正如科學家們建造量子計算機是為了更好地解決特定問題，而非普遍問題，量子互聯網的目的不是替代現有互聯網，也很難替代現有互聯網。

歐洲量子旗艦計劃認為，量子網絡的作用是兼容、擴充現有的數字基礎設施。

在實際應用中，量子密鑰分發需要和密碼算法結合使用，也需要通過“量子信道+經典信道”來完成：量子信道傳輸量子信號，經典信道交互從中提取安全密鑰的處理方法。

因此，量子保密通信網絡往往在現有的光纖網絡基礎設施（如中國電信等電信運營商）之上部署。

瑞士日內瓦大學Nicolas Gisin對《自然》說道：“現在的互聯網絕不可能徹底量子化。”

加拿大滑鐵盧大學物理學家Norbert Lütkenhaus也認為，有些想法乍一聽很棒，但其實不用量子技術也能輕鬆實現。

趙勇對澎湃新聞表示：簡化了理解，當前的互聯網是“用於傳遞、處理和儲存經典信息的全球性系統”，量子互聯網則是對量子信息進行同樣的傳遞、處理和存儲。“量子互聯網”不是對現有互聯網的替代，而是在互聯網上疊加新功能的基礎設施。