量子力學(xué)始于20世紀(jì)初，普朗克、愛因斯坦、玻爾、薛定諤、海森堡、狄拉克等人的思想奠定了量子力學(xué)的理論框架，隨后，量子物理催生出激光、晶體管和核磁共振成像等現(xiàn)代技術(shù)。最近幾十年，量子技術(shù)發(fā)展迅猛，人們可以在原子尺度上精確控制和操縱微觀粒子，新的量子控制技術(shù)有潛力催生廣泛的技術(shù)革命，又一次量子革命的火苗浮現(xiàn)。在量子科技領(lǐng)域，與歐美相比，中國起步較晚，但過去二十年間，發(fā)展迅速，特別在量子通信領(lǐng)域，中國已經(jīng)成為國際領(lǐng)跑者。

美國不甘落后。2018年底，頒布《國家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act），宣稱絕不能容忍在量子科技領(lǐng)域落后。在中美關(guān)系陷入不確定性的大背景下，近日，美國公布了量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略藍(lán)圖，以支撐《國家量子倡議法案》的順利施行，確保美國處于全球量子競賽的前列。美國能源部的17個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室是美國量子互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略實(shí)施的主要支柱。

美國國家實(shí)驗(yàn)室制度始于20世紀(jì)上半葉，二戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后，在國家戰(zhàn)略承擔(dān)和實(shí)施上，發(fā)揮了巨大的作用，滿足國家重大戰(zhàn)略需求是國家實(shí)驗(yàn)室的主要使命。多學(xué)科深度融合，人員和資源高效協(xié)調(diào)，使得國家實(shí)驗(yàn)室時(shí)至今日依然是美國國家創(chuàng)新核心力量的體現(xiàn)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主任 Nigel Lockyer 指出，對于量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施，“國家實(shí)驗(yàn)室是最適合來促進(jìn)這種整合的”。

美國已經(jīng)來了，全球量子競賽愈發(fā)劇烈。中國雖然在量子通信領(lǐng)域，處于領(lǐng)跑者位置，但美國舉全國科技力量在全面布局，我們稍有松懈，便面臨被超越的風(fēng)險(xiǎn)。在量子技術(shù)的積累上，中國、美國各有其優(yōu)勢和不足，誰將取得量子時(shí)代的領(lǐng)先，未來十年將至關(guān)重要。

以下內(nèi)容譯自美國能源部網(wǎng)站：

全國協(xié)力建設(shè)量子網(wǎng)絡(luò)，引領(lǐng)通信新時(shí)代

（芝加哥，伊利諾伊州） 今天（指當(dāng)?shù)貢r(shí)間7月23日），在芝加哥大學(xué)召開的新聞發(fā)布會上，美國能源部公布了一份報(bào)告，該報(bào)告規(guī)劃了美國量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略藍(lán)圖，提出要確保美國處于全球量子競賽的前列，引領(lǐng)通信新時(shí)代。該報(bào)告為確?！秶伊孔映h法案》（于2018年12月由特朗普總統(tǒng)簽署而成為法律文件）的順利施行，提供了行動(dòng)路線。

全世界正在達(dá)成共識，即認(rèn)為基于量子力學(xué)的通信系統(tǒng)是21世紀(jì)最重要的技術(shù)前沿之一。如今，科學(xué)家們相信，在未來十年內(nèi)，這種通信系統(tǒng)原型機(jī)將得以實(shí)現(xiàn)。

今年2月，來自美國能源部的各個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)以及工業(yè)界的人士相聚紐約，制定了國家量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍(lán)圖：闡述了需要完成的基本研究內(nèi)容，描述了工程和設(shè)計(jì)上的瓶頸，并設(shè)定了近期目標(biāo)。

“能源部為在國家量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中所發(fā)揮的重要作用感到自豪”，美國能源部長 Dan Brouillette 說，“通過構(gòu)建這種新興技術(shù)，美國必將繼續(xù)保持和擴(kuò)大量子領(lǐng)域的能力。”

美國能源部的17個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室將成為未來量子互聯(lián)網(wǎng)的支柱。量子互聯(lián)網(wǎng)將基于量子力學(xué)定律來更加安全地控制和傳輸信息。量子互聯(lián)網(wǎng)目前處于發(fā)展的初始階段，它將成為一個(gè)安全的通信網(wǎng)絡(luò)，并對科學(xué)、工業(yè)以及國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

在芝加哥地區(qū)，建立這樣一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵步驟已經(jīng)在進(jìn)行中了，那里已經(jīng)成為全球領(lǐng)先的量子研究中心之一。今年2月，來自能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（位于伊利諾斯州萊蒙特）和芝加哥大學(xué)的科學(xué)家們在芝加哥郊區(qū)成功建立了一個(gè)52英里的糾纏光子 “量子環(huán)”，這是美國最長的陸基量子網(wǎng)絡(luò)之一。該網(wǎng)絡(luò)很快將與能源部費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（位于伊利諾斯州巴達(dá)維亞）連接，建立起一個(gè)80英里的三節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)平臺。

“芝加哥大學(xué)、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合，在人才和技術(shù)上具有領(lǐng)導(dǎo)地位，使芝加哥在量子信息技術(shù)的全球競爭中處于中心地位”，芝加哥大學(xué)校長 Robert J. Zimmer 說，“這項(xiàng)工作將定義和建立全新的研究領(lǐng)域，并勢必帶來技術(shù)應(yīng)用的新前沿，從而提高世界各地許多人們的生活質(zhì)量，使我們的城市、州和國家具有長期競爭力。”

“在加速科技進(jìn)步以促進(jìn)美國繁榮和安全方面，阿貢實(shí)驗(yàn)室、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)有著悠久的合作歷史”，阿貢實(shí)驗(yàn)室主任 Paul Kearns 說，“在應(yīng)對建立國家量子網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)上，我們將延續(xù)傳統(tǒng)，擴(kuò)大合作，充分發(fā)揮全國各地科學(xué)家和工程師的巨大力量。”

“幾十年后，當(dāng)我們回望量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生時(shí)，我們可以說最初的連接點(diǎn)就在芝加哥—— 在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室、阿貢實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)”，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主任 Nigel Lockyer 說，“作為現(xiàn)有科學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的一部分，能源部的國家實(shí)驗(yàn)室是最適合來促進(jìn)這種整合的。”

一系列獨(dú)特的能力

量子傳輸?shù)囊粋€(gè)特征是，信息傳遞過程中，竊聽是極其困難的?？茖W(xué)家們計(jì)劃利用這一特性來建立一個(gè)幾乎不可破解的網(wǎng)絡(luò)。早期用戶可能包括銀行和醫(yī)療服務(wù)等行業(yè)，以及國家安全和飛機(jī)通信。最終，量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在手機(jī)中的應(yīng)用可能會對全世界每一個(gè)人的生活產(chǎn)生廣泛影響。

科學(xué)家們也正在探索量子互聯(lián)網(wǎng)如何加速海量數(shù)據(jù)的交換。該報(bào)告稱，如果網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行組合和擴(kuò)展，那么社會可能就處在數(shù)據(jù)通信突破的風(fēng)口浪尖。

最后，創(chuàng)建超靈敏量子傳感器網(wǎng)絡(luò)可以讓工程師能更好地監(jiān)測和預(yù)測地震—— 一個(gè)長期的、難以企及的目標(biāo)，或者是尋找地下的石油、天然氣或礦產(chǎn)。這種傳感器還可以應(yīng)用于醫(yī)療健康和成像領(lǐng)域。

多實(shí)驗(yàn)室、多機(jī)構(gòu)的共同努力

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)成熟的量子互聯(lián)網(wǎng)原型，需要多方的密切協(xié)調(diào)，包括能源部、國家科學(xué)基金委、國防部、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所、國家安全局、NASA 等聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，以及國家實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)研究所和工業(yè)界。

該報(bào)告列出了關(guān)鍵的研究內(nèi)容，包括：構(gòu)建并集成量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、量子信息的保持和路由、糾錯(cuò)。然后，要把全國性的網(wǎng)絡(luò)付諸實(shí)施，有四個(gè)關(guān)鍵的里程碑: 現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)上安全量子協(xié)議的驗(yàn)證；跨越校園或城市發(fā)送糾纏信息；擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)城市間的連接；最后，通過量子中繼增強(qiáng)信號，實(shí)現(xiàn)州與州間的量子網(wǎng)絡(luò)。

“量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)取決于我們在原子尺度上精確合成和操縱物質(zhì)的能力，包括單光子的控制”，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的分子工程學(xué) Liew Family 講席教授、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室高級科學(xué)家、Chicago Quantum Exchange 主任 David Awschalom 說，“我們的國家實(shí)驗(yàn)室擁有世界一流的設(shè)備，可以對材料進(jìn)行亞原子分辨率的成像，還有最先進(jìn)的超級計(jì)算機(jī)來模擬材料的行為。這些強(qiáng)大的資源對于加速量子信息科學(xué)和工程的進(jìn)展，以及在與學(xué)術(shù)和企業(yè)伙伴的合作中領(lǐng)導(dǎo)這一快速發(fā)展的領(lǐng)域來說至關(guān)重要。”

“除了與芝加哥大學(xué)的合作，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室還與阿貢實(shí)驗(yàn)室、加州理工學(xué)院、西北大學(xué)以及科技新興公司合作開發(fā)架構(gòu)，并逐步部署和連接橫跨芝加哥市的量子通信節(jié)點(diǎn)。很快，與這第二組合作者一起，我們將能在一個(gè)大都市網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)”，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室量子項(xiàng)目領(lǐng)頭人 Panagiotis Spentzouris 說，“這份藍(lán)圖很重要，它告訴我們?nèi)绾卧谌珖秶鷥?nèi)開展這項(xiàng)工作。”

其他國家實(shí)驗(yàn)室也在推動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。例如，石溪大學(xué)和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室與總部設(shè)在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的能源部 Energy Sciences Network 合作，已經(jīng)建立了一個(gè)80英里的量子網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺，同時(shí)正積極地在紐約州、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。其他研究小組則專注于開發(fā)信息高度安全的量子密碼系統(tǒng)。