7月23日，新加坡能源部公布了一項旨在于塑造量子互聯網的計劃，目標是六年內建成與現有互聯網并行的第二互聯網——量子互聯網。量子互聯網是一種基于量子熱學原理構建上去的新型互聯網。華盛頓學院普利茨克分子工程大學院士、阿貢國家實驗室中級科學家大衛·奧沙布里稱互聯網項目是日本量子研究計劃的主導者。俄羅斯能源部及其17個國家實驗室將成為該項目的骨干。該計劃是能源部去年2月5日-6日舉辦的“量子互聯網新藍圖研討會”的成果。研討會確定了未來量子科學應用的領域、優先研究方向和實現量子互聯網的主要里程碑。
一、量子信息未來的科學應用領域
目前，許多科學家都意識到建立和擴充量子保護和提高通訊網路是21世紀最重要的前沿技術之一。國際研究機構計劃在未來的10年內建立全球首個量子互聯網（全球量子網路原型系統）。
未來量子信息的科學應用領域主要有：
·傳感器網路。量午時鐘網路是一個被普遍考慮的應用，它創造了一個可以明顯提升個別現象檢測精度的網路，例如引力波。量子望遠鏡網路也可以拿來白平衡和提高集聚圖象。同時，量子計量學可以實現更精確的成像技術，如顯微鏡、光學和電磁成像。
·升級量子估算。量子網路可以拿來聯接量子估算系統，提供傳統系統和量子系統之間的過渡。分布式量子估算可以通過量子網路將許多更小的量子計算機聯接上去。由此形成的分布式量子估算系統可以提供當前單個量子計算機難以實現的估算能力。
·安全的量子通訊。量子互聯網提供終極安全通訊的能力將是一個核心應用。通過量子信道進行的信息交換的量子秘鑰分配是當前量子安全通訊的主要研究熱點。這種解決方案的初期采用者將出現在國家安全、銀行和能源輸送基礎設施等領域。
二、優先研究方向
設計一個才能執行上述任務的量子互聯網原型系統須要開發一個量子版本的網路棧。與TCP/IP網路結構類似，最底層為化學層，包括量子硬件設備和光纖等，負責量子信息的生成、排序和同步。數據鏈路層在化學層上運行，拿來生成可控量子節點之間的糾纏。網路層負責為不直接聯接的節點之間生成長距離糾纏。傳輸層負責傳輸量子比特。應用層的應用可以同時使用傳統網路和量子網路的一些能力。
TCP/IP5層構架模型與量子互聯網構架
優先方向1：建立量子互聯網的基礎
當前量子網路實驗依賴的設備功能和性能都很有限。要創建大范圍、可運行的量子網路，就須要更多功能強悍的基礎設備。這種設備要滿足可靠性、可擴充性和可維護性。關鍵網路設備包括可以高效處理光插口和衛星-光纖聯接的量子顯存；高速率、低耗損的量子交換機；復用技術；量子源和改進源的傳感等。
優先方向2：多量子網路設備融合
目前的關鍵量子化學組件仍處于實驗室級階段，還未能在全網路配置中運行。在實現級聯操作和聯接上要克服一些關鍵的挑戰：
·通過系統級工程統一現有的操作性能融合現有組件，例如帶寬、波長等；
·為補償級聯操作損失實現GHZ量子糾纏源、量子顯存緩存和測量器；
·進一步開發關鍵量子化學組件量子傳輸速度，例如高速率、低耗損的量子交換器和多分復用技術。
優先方向3：為量子糾纏創建中繼、交換和路由
多跳網路須要提高和重復訊號的方式，還須要選擇通過網路的路徑。傳統網路中的數學和軟件方案并不適用于量子網路。面臨的挑戰包括不同方式的量子糾纏生成、交換，多用戶的凈化合同，以及傳統網路和量子網路融合和協同的控制和操作。
路由是網路的最基本功能。多跳網路須要選擇通過網路的路徑。基于糾纏的量子網路的首個原型系統并沒有使用量子顯存和中繼器。而是使用SDN（軟件定義網路）技術來執行傳統的波長路由和光纖網路中的分配來構建量子節點之間以及量子節點與糾纏光子源（EPS）之間的量子路徑。
光交換機須要動態編程來構建多個量子路徑。這種簡單的拓撲為多用戶構建糾纏分發和量子傳輸合同。在同一光纖傳輸系統中與傳統網路共存，這對分享相同的DWDM網路組件是極其重要的。
要在固定的目標對之間進行糾纏分發，就須要使用量子中繼器擴充糾纏對的分發距離。與精典中繼器的操作不同，量子中繼器在光子傳輸時不會放大處于糾纏態的光子。相反，量子中繼器可以通過消耗第二個糾纏對的資源，在額外的距離間隔上“跳躍”糾纏屬性。實現這一點所需的創新是糾纏交換的量子過程。
降低傳輸的距離的潛在方式是加入量子中繼器以及加入量子顯存。一跳量子中繼器原型系統須要4個量子顯存。其他實現量子中繼器的分發包括依賴光量子處理方式和基于原子集成的技巧。
優先方向4：量子網路功能的錯誤糾正
量子網路的一個根本區別來自于這樣一個事實:糾纏的長距離生成是一項基本的網路功能，本質上存在于網路的數學層。這不同于傳統網路，在傳統網路中，共享狀態一般只構建在較高層。在這些情況下，必須找到解決方案，以保證網路設備的保真度水平才能支持糾纏分布和確定性傳送，以及才能補償耗損和容許操作糾錯的量子中繼器方案。
當才能進行錯誤糾正的設備和量子中繼器實現時，量子通訊網路發展的最后一步就完成了。量子網路支持所有須要分發量子估算合同和量子傳感應用，包括多顯存計算機構架和應用。實現這樣的量子網路須要大量量子網路技術的進步，包括高重復速度的量子鏈路、支持糾纏分發和確定性隱性傳輸的確切度等。生成多方糾纏的能力對感知應拿來說也是十分必要的。
三、實現量子互聯網新藍圖的里程碑
下邊介紹一些現有的和近日的技術以及量子網路測試床，以及建立量子互聯網的路線圖。
注：里程碑是按照復雜度來排序的，后一階段包含了之前階段的所有功能。
里程碑1：基于光纖網路的安全量子合同驗證
打算和評估量子網路。在量子網路原型中，終端用戶接收和測試量子狀態，但糾纏并不是必須參與的。這一階段網路中的應用，包括非可信節點之間對高時序波動、量子位損失和錯誤有高容忍度地進行交換。用戶可以驗證密碼量子傳輸速度，2個終端用戶可以分享只有對方曉得的公鑰。實現量子網路階段的應用的要求包括：
·端對端量子功能的實現；
·傳輸和評估；
·量子比特可以馬上進行評估來世成相關性。
相關的事例有OakRidge和Los國家實驗室使用量子密碼系統、通過可信節點聯接的網路。應用領域包括通過安全通訊實現對關鍵基礎設施的保護。
里程碑2：校園內和城市間的糾纏分發
糾纏分發網路。在這些量子網站中，任意2個終端用戶可以獲取糾纏的狀態。網路通過設備獨立的合同實現提供了一些能力，例如設備獨立的量子秘鑰分發和兩方密碼學。這一階段對波動、損失和錯誤的容忍度要高于里程碑1。傳統網路和量子網路開始初步融合。例如，-（）就融合了多個坐落喬治亞不同區域的站點。每位站點有1個或多個量子節點，可以進行量子通訊和評估。
里程碑3：使用糾纏交換實現城市間的量子通訊
量子顯存網路。在這一階段，任意兩個終端用戶可以獲取和保存糾纏量子比特，以及傳送量子信息到對方。終端用戶可以按照接收到的量子比特進行評估和操作。最小的顯存儲存需求是按照傳統通訊所需的時間來確定的。這一量子網路階段容許一定范圍的云量子估算，也就是說節點可以準備和評估單個量子比特來聯接到遠程的量子估算服務器。Lab–SBU–ESnet合作在2019年4月在日本實現了最長距離20km的糾纏分發的實驗。下一步該團隊計劃將現有的量子網路與倫敦市的()聯接。
里程碑4：使用量子中繼器實現量子糾纏分發
融合傳統和量子網路技術。成功融合量子中繼器和臺灣范圍內（長距離）的量子錯誤糾正通信使得量子互聯網的創建成為了可能。右圖是可擴充網路的一種實現任意位置2個用戶糾纏對分發的方式。所有的網路都須要管理層、控制層和數據層。在量子互聯網原型中，控制功能可以融入在量子數據層與網路硬件動態交互的覆蓋網路中。控制層可以通過SDN構架實現。
當前主流的量子網路構架設計是跳-跳（多跳）設計，構架中量子通訊設備的鄰居對可以進行糾纏交換來傳播通訊信道。量子互聯網還須要大量新的合同。量子互聯網須要大量的通訊合同和管理策略。對那些合同和控制策略的研究也是十分必要的。
里程碑5：建立實驗室、學術界、產業界多方參與的生態系統來實現證明到可操作的基礎設施的過渡
為實現量子通訊基礎設施并實現量子互聯網的原型，須要聯邦機構、學術界和產業界的協作。以下量子互聯網原型開發中的關鍵點可以受惠于多方協作的生態：
·使用當前ESnet光同步技術和網路來配置復雜量子網路的高層通訊；
·以更低的成本從商業合作方處訂購或租用光基礎設施；
·與光纖提供商協作確定小型光纖網路的光纖質量、分布、拓撲和耗損等；
·為可擴充和布署的量子通訊硬件創建技術標準；
·與同步開發的空間光網路和衛星網路協同發展；
·促進第一代量子通訊在大公司的使用。