《量子互联网：美国防部如何准备》美国陆军2022最新报告【完整译文】

20世纪80年代，理查德-费曼提出了利用量子力学的力量进行计算的计算机这一著名的想法。费曼观察到，他那个时代的计算机很难对复杂的分子系统进行建模。他观察到，如果计算机利用量子力学定律，它可以很容易地模拟这种分子系统。到20世纪90年代中期，量子计算机的概念在学术界已经确立，当时数学家彼得-肖尔发现了一种在量子计算机上进行大整数因式分解的多项式时间算法。人们很快发现，这种算法通过快速计算解密的密钥，将打破许多以前被认为是安全的广泛使用的加密方案。

国家和私人行为者在量子技术方面的最新进展将量子计算机从一个想法转变为工作原型。尽管能够执行肖尔算法的计算机可能还需要几年时间，但政府和工业界的利益相关者已基本接受了为量子未来做准备的需要。这种准备最明显的特点是，美国国家标准和技术研究所和其他机构竞相制作安全的后量子密码方案，这些方案在全面量子计算实现时不太可能受到影响。然而，人们对支持活跃的量子计算机网络所需的基础设施关注得较少。这样一个网络通常被称为量子互联网。

在这篇文章中，我们将讨论根据专家的意见，量子互联网可能会如何发展。按照Stephanie Wehner、David Elkouss和Ronald Hanson提出的模型，我们把这种发展分成六个阶段。每个阶段都会引入一项新技术，使互联网比前一阶段 "更加量子化"。在讨论每个发展阶段时，我们提请读者注意国防部（DOD）感兴趣的技术和趋势。我们认为，国防部对量子技术和可行的量子互联网的日益关注可能会导致安全通信、量子传感和时钟同步等领域的创新，以及其他尚未发现的技术。

我们想强调的是，本文阐述了Wehner、Elkouss和Hanson提出的模型，但没有提出其他版本，尽管其他模型很可能存在，而且量子互联网的实际发展方式也完全未知。我们所描述的六个阶段是这样的，在每个阶段，都会引入一项新技术，以解决前一阶段的漏洞。在这篇文章中，我们不涉及这些技术的潜在成本或投资回报；我们只是定性地描述这些技术。我们也不猜测这些技术何时会被广泛使用，因为文献中对这个问题有充分的猜测。

未来量子互联网的可行性（和可获得性）可能会塑造美国军事力量的战略环境。这个环境包括国防部在竞争、冲突或战斗中发现自己的关键行动领域。这些行动被称为多域或全域行动（MDO/ADO），有时可以互换。联合学说目前承认陆、海、空、太空和网络是MDO/ADO的作战领域。量子互联网特别适用于网络领域，因为它需要许多目前互联网的物理组件--同时需要扩大许多这些资产并纳入新技术。随着国防部和美国政府投资开发量子互联网或确保其接入量子互联网，他们将见证其网络领域能力的增长，由于MDO/ADO的相互交织性质，这将转化为其他作战领域的收益。

量子技术和量子互联网

就我们的目的而言，量子互联网一词是指任何采用固有量子技术的计算机系统或通信设备的网络。它不一定是指一个独立于当前互联网的新互联网；相反，该术语指的是一个将与现有互联网交织在一起的新兴基础设施。一旦技术发展起来，量子互联网很可能是在完全运行的量子计算机之间进行通信所必需的；然而，我们看到，量子互联网将实现比量子计算机的整合更多的东西，这可能要在许多年后才能实现。量子互联网，甚至在现有的互联网上增加量子组件，允许未来将量子计算机整合到现有的互联网中，并使一种全新的信息的传输和存储成为可能，俗称量子信息。经典信息是以比特序列--即0和1的字符串--进行加密和存储的，而量子信息是以量子比特系统的状态进行编码的，或称量子比特。单个量子比特是一个粒子在一对可能状态的叠加中的量子状态，它通常被视为0和1的混合物。在获得多个量子比特的情况下，整个系统可以变得 "纠缠"，从而使一个量子比特的状态与另一个（可能是远程）量子比特的状态密切相关。这样一来，在遥远地点的独立量子比特上进行的计算可能会瞬间相互干扰并影响对方。

量子力学定律赋予了量子信息许多区别于经典信息的特性，使新的应用成为可能。例如，量子力学的无克隆定理使人们不可能设计出一种仪器，将一个量子比特作为输入，并产生同一量子比特的两个副本作为输出。换句话说，一个窃听者如果在运输过程中拦截了一个量子比特，就不可能复制这个量子比特并将原件送到目的地而不被察觉。此外，量子力学的测量原理意味着，如果窃听者测量运输中的量子比特的任何属性，该量子比特的状态将发生变化。这种变化可以在收到时被检测出来，这样，被操纵的量子比特就可以被丢弃了。纠缠使许多其他应用成为可能，如新的时钟同步协议和利用远程纠缠的量子比特之间的现有相关性。

尽管现有的互联网将演变为量子互联网的确切过程尚不清楚，但专家们最近对这一过程可能带来的影响进行了评判。在下面几页中，我们描述了量子互联网出现时预计会出现的六个发展阶段。在每个阶段，都会有一项新的技术被引入，使量子互联网的功能大大增加。除了对这些阶段的总结外，我们还提供了有关在每个阶段引入的新技术如何影响国防部利益的评论，以及该部门可能考虑采取什么措施来实施这些技术。我们还注意到哪些技术已经存在，以及不同的私人和政府行为者如何对其进行投资。

可信中继器阶段

在量子互联网发展的第一阶段，互联网继续只传输经典信息；然而，通过将量子中继器纳入现有的基础设施，它可以更安全地进行传输。在这个阶段，一对量子中继器只需要能够执行一个单一的量子协议，即量子密钥分配（QKD；见图1）。该协议允许生成一个秘密密钥，并安全地分配给相邻的量子中继器。然后，一个经典的信息可以在一个中继器上被编码，安全地传输到下一个中继器，最后被解码。这个过程可以在每一对连续的中继器之间进行，每个中继器产生一个新的秘钥，通过连锁多个中继器来确保经典信息从源头到目的地的传输。可信中继器这一术语源于要求信息在每个中继器上都是可解码的。因此，安全传输依赖于中继器序列的可信度。以这种方式发送信息的好处是，即使在有窃听者的情况下，中继器之间也能保证信息的安全性。如果没有秘钥，信息是无法被解码的，而秘钥在中继器之间分配的安全性是由量子力学定律而不是解密过程的计算难度所保证的。换句话说，除了猜测密钥，现在或将来，即使有强大的计算机甚至量子计算机的帮助，被截获的信息也不可能被解密。

对可信中继器阶段的投资对国防部至关重要，因为它能促进安全通信，克服传统的对抗性拦截技术。这一阶段的军事应用将使地理上分离的指挥官和下属能够在不担心被拦截的情况下沟通行动细节。这种状态增加了战场上的超强能力，也可能促进传统的测向技术的失败，这是一种拦截通信路径以追踪发端者位置的方法或信号截获技术。这一阶段还将提醒通信链中的人试图获取这些安全传输，从而 "敲响警钟"，以便采取适当行动，防止进一步的拦截努力。最终，加强安全，击败拦截，减少或消除发射器的探测，使指挥官和他或她的部队有一个更安全的环境，提供更大的成功机会。

如果美国防部专注于增加可信中继器的容量，它也可能在部署环境中促进更安全的情报传输，而不是依赖传统的情报网络。传统的情报传输技术依赖于复杂的安全网络，这在战斗行动中可能是很艰巨的。尽管存在通过传统手段传递情报的选择，但这种方法往往需要加密、专用传输通道，以及对使用编码词或数值的考虑--所有这些都会延迟情报的接收。这种障碍可能不利于指挥官的决策周期，扰乱了情报的有效性，同时有可能在没有重要信息的情况下强迫做出决定。然而，带有可信中继器的量子互联网可以提供必要的快速和安全的情报传输环境，这是指挥官在战斗环境中需要的。

准备和测量阶段

在量子互联网的第二阶段，互联网可以在一个初始节点上准备一个单一的量子比特，并将其传输到一个可以测量的最终节点上。这是互联网可以真正被视为量子的第一个阶段，因为它现在能够以量子比特的形式传输信息。值得注意的是，在这个阶段，成功的量子比特传输是不可能的。由于量子比特有可能丢失，接收器必须在测量之前检测量子比特是否已经被接收；因此，所有的测量都是在量子比特被成功传输的知识上进行 "后选"。检测成功传输的要求意味着对可执行的协议集有一些限制，因为对量子比特的任何测量都必然会扰乱其状态。尽管如此，即使是以这种不完美的方式传输量子比特的能力也使重要的协议成为可能，如端到端的QKD，而不需要依赖可信的量子中继器。

准备和测量阶段要求国防部认识到量子传输的局限性和确保安全量子互联网所需的投资。美国在利用量子技术的努力中落后于中国，使中国在量子互联网、量子通信和量子传感领域获得初步成功。中国正在投资其量子军事努力，已经声称在上海、北京和其他城市之间通过约750英里的陆地网络成功地进行了量子比特传输。尽管这一成就并不具体表明量子互联网的成功演示，但它确实强调了中国正在取得进展，而国防部和美国政府则主要集中在量子计算的发展上，并没有完全推进量子互联网所需的基础设施。

第二阶段进一步确立了量子传感的原则及其在战场上的效用，因为战术上的惊喜可以为军事行动的成功奠定基础。在评估量子状态的扰动时，这个阶段的量子感应概念是可能的。量子雷达，如加拿大滑铁卢大学的乔纳森-鲍正在开发的量子雷达，测量微波束中的量子状态，并寻找这些状态的异常情况。在军事用途中，量子测量的精确性将允许立即和具体地检测战斗资产，包括有问题的例子，如隐形战斗机或潜水艇。第一个开发出这种雷达的军队将提高其预警和目标获取的有效性；因此，美国必须在其对手之前达到量子的最高水平。

纠缠产生阶段

在第三个发展阶段，互联网可以产生一对最大纠缠的量子比特，并将其分配给节点A，另一个分配给节点B。这一阶段绕过了前一阶段的后选要求，使更多的协议可以在节点A和节点B之间进行。这一阶段可以使用真正的量子中继器来实现，其功能是接收一个量子比特，将其与另一个量子比特纠缠在一起，然后将第二个量子比特传递出去（见图2）。这种纠缠量子比特的 "菊花链 "导致了链的初始节点和最终节点之间的纠缠分布。成功分布的纠缠量子比特允许节点使用一个称为量子传送的过程安全地传输量子比特。此外，现在可以在终端节点之间进行新的和更安全的QKD形式，这些新的QKD协议的安全性将不再需要终端用户甚至信任他们自己的测量设备，从而提高他们的安全性。

在这个阶段，国防部可以开始实现即时通信，而不考虑数据流的容量，这是通过更协调和即时的信息环境促进军事优势的一个重要组成部分。在作战环境中的主导地位集中在能够在指挥官选择的时间和空间进行机动、反应、防御和摧毁的部队、武器和系统，以及通信系统的确定性。在纠缠生成阶段，指挥官可以接触到允许安全和几乎即时传输的终端节点，为他们的部队提供即时同步努力的优势；当需要同时进行非动能和动能效应以实现特定目标时，情况尤其如此，因为通过行使即时的、不间断的通信，时间变得至关重要。这些问题显示了投资和研究的紧迫性，以实现一个有能力的量子互联网。

量子记忆阶段

下一个阶段对于大型量子网络的实现至关重要。这个阶段与前一个阶段的主要区别是，在这个较新的阶段，多个量子比特可以从一个网络节点移动到另一个节点。量子存储器允许网络一次建立一个状态，在从网络中接收到量子状态时储存起来。这种方法使得通过量子传送发送更大的量子状态成为可能，这增加了可以传输的量子信息量。此外，在这个阶段，量子时钟同步和量子匿名传输通过多方纠缠系统变得可行。纠缠和量子通信确保了跨越多方的时间签名是真实的，提高了通信传输的安全性。

军方将从这一阶段的进步中受益，通过更精确的时钟同步，最大限度地提高其在大规模冲突中进一步实现同步行动的能力，超过前一阶段的通信成果。时钟同步转化为时间对准和GPS保真度的精确性--这是在时间和空间上实现军事目标的关键因素。国防部高级研究计划局指出了量子同步的改进潜力，它可以将效率从十亿分之一秒提高到一万亿分之一秒。这一收益可能看起来无关紧要，但任何准确性的提高都可能意味着战场上成功与失败的区别。马修-迈尔少校从步兵的角度很好地强调了这一点。由于地面部队依靠空中平台在近距离任务中击败敌人--由于敌人和友军的距离很近，可能会产生自相残杀的事件--飞行员必须经常改变战术和武器系统来适应。每一个依靠救生措施或武器系统可用性的人都会感激任何准确性和及时性的提高。

少量子位容错阶段

容错设计使系统能够继续其预定的操作，可能是在一个较低的水平上，而不是在系统的某些部分出现故障时完全失败。这里所说的少数量子比特是指可用的量子比特数量仍然很小，以至于终端节点本身可以在经典计算机上进行模拟。尽管如此，一台经典计算机可能无法模拟整个网络。可靠的量子比特很难设计，但标准的容错方案是用七个或更多的物理量子比特来编码每个逻辑量子比特，而且还需要更多的量子比特来进行纠错22。获得容错门使得更精确的时钟同步和分布式量子计算成为可能，即通过量子和经典通道互联的量子计算机网络。由于量子计算机是通过量子信道互联的，用户可以利用所需的纠缠来获得计算能力的提高。此外，通过量子连接的小型量子计算机可以成为未来大规模量子计算机的垫脚石。即使在这种有限的情况下，用户以目前量子计算机不可能达到的速度进行计算也是可行的，正如研究人员最近在谷歌的机器上所展示的那样。

一个容错的设计可以为国防部提供一个可行的量子网络，它可以在一个没有卫星的环境中依赖，因此，尽管任何对手努力击败军队的卫星连接，部队仍然可以继续执行行动。五角大楼意识到这种情况是一个现实的弱点，并理解量子在克服它方面的好处；然而，国防部在成熟这项技术方面的投资只是另一个量子巨头中国用于量子开发的预算的一小部分。因此，为了实现这一阶段并实现足以在战斗前线的残酷条件下生存的容错设计，国防部必须继续通过百万美元国际量子U技术加速器等举措促进量子计算和网络方面的专业知识，这是一项海军和空军的活动，审查竞争合同的专家的投标，为国防部开发未来的量子能力，同时也促进这些技术的合作、创新和培训。

量子计算阶段

这个终极阶段可以实现所有协议。这些协议，除其他外，将提供安全通信、安全登录网络、量子增强的GPS、安全投票、量子数字签名、引力波探测，等等。但在每个节点的末端拥有一台成熟的量子计算机，既有优势也有风险。其中一个主要风险是打破目前存在的密码学。肖尔的算法通过使用量子计算机来解决离散对数问题，使一个大的整数成为因子。随着这种量子算法以及量子计算机和量子互联网的出现，对手可以有效地打破普遍采用的公钥密码系统方案（例如，RSA、DSA[数字签名算法]和ECC[椭圆曲线密码学]），这些方案依赖于这种因数问题的计算难度。

如果国防部首先实现了量子计算阶段，它就可以利用前面每个阶段的优势，同时还可以获得一个量子计算机系统，该系统可以提供指挥官在任何作战环境中取得成功所需的分析水平。一个成熟的量子互联网意味着可以立即访问整个互联网的量子系统，从而提供巨大的计算能力来分析指挥官所掌握的所有可能的数据点，以帮助决策周期。量子计算机可以比任何经典计算机更快地确定可能的最佳解决方案。此外，量子计算机能够解决的潜在问题集仍然是深不可测的，这意味着这些计算机在战场上的实时援助能力，可能会以我们仍然不了解的方式改变战争的特征。然而，只有当国防部现在选择投资于量子互联网时，美国武装部队才有可能在量子环境中取得成功。

国防部和其他利益相关者应将量子互联网的发展视为一个分几个阶段进行的过程，而不是一旦量子计算变得可行就会出现的单一实体。通过跟踪和分析量子互联网如何逐个阶段发展，国防部可以保持与国家和私人行为者的技术进步同步，从而为量子计算的最终出现做好准备。相反，忽视这一发展，只通过投资后量子技术来对抗最终出现的量子计算机，将使国防部与其他国家和私人行为者相比处于不利地位。