歐盟和美國(guó)相繼制定量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展愿景與計(jì)劃，引起了國(guó)際科學(xué)界的廣泛關(guān)注，近期來(lái)自加拿大和美國(guó)的兩位專家[1]撰文討論了發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)所需的條件，呼吁通過(guò)“大科學(xué)”和國(guó)際化合作的新模式來(lái)建設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)。該文主要觀點(diǎn)如下：
功能性量子互聯(lián)網(wǎng)用量子比特存儲(chǔ)信息，并通過(guò)糾纏實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離共享。這種網(wǎng)絡(luò)將改變安全通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、精密傳感和計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新又將改變社會(huì)。例如，提高隱私將加強(qiáng)民主制度。但是，建立這樣的網(wǎng)絡(luò)將是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。
文章指出，需要開發(fā)和集成一整套元件，從量子傳感器和量子存儲(chǔ)器到經(jīng)典的光源及通信通道，不一而足。由于量子互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的潛在影響涉及面廣，甚至可能帶來(lái)意想不到的挑戰(zhàn)和結(jié)果，學(xué)界需要咨詢社會(huì)科學(xué)家、法律專家和歷史學(xué)家，確保這項(xiàng)新技術(shù)的好處在全社會(huì)得到廣泛共享。
為實(shí)現(xiàn)這些雄心勃勃的目標(biāo)，我們認(rèn)為量子科學(xué)界首先應(yīng)進(jìn)行自我調(diào)整，與大型機(jī)構(gòu)展開合作。這類機(jī)構(gòu)的專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)涵蓋經(jīng)典通信和量子信息、公共與私營(yíng)兩大部門、硬件和軟件、科學(xué)和社會(huì)。雖然量子互聯(lián)網(wǎng)的單獨(dú)元件能在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，但要建立可行的全球網(wǎng)絡(luò)就需要國(guó)際合作和“大科學(xué)”的方法。
1. 需要量子合作的新模式
文章認(rèn)為，在量子科學(xué)與技術(shù)當(dāng)前的組織架構(gòu)模式中，要實(shí)現(xiàn)必要程度的合作與整合很難，因?yàn)檫@種模式針對(duì)單獨(dú)的研究組及它們之間的小規(guī)模合作。研究組的驅(qū)動(dòng)力通常是推動(dòng)某個(gè)方向的進(jìn)步或者成為該方向的權(quán)威，直接回報(bào)是高影響力的文章、得到進(jìn)一步資助。但是，要生產(chǎn)對(duì)大型系統(tǒng)有用的元件，這些驅(qū)動(dòng)力就顯得微不足道了，因?yàn)檫@需要集中組織和長(zhǎng)期規(guī)劃。
以量子存儲(chǔ)器舉例，單獨(dú)的研究組往往致力于讓內(nèi)存效率、存儲(chǔ)時(shí)間或帶寬等具體指標(biāo)最大化，卻沒有考慮系統(tǒng)層面的需求。建立跨大陸或洲際量子網(wǎng)絡(luò)，需要來(lái)自多個(gè)研究組的成百上千名研究人員共同攜手努力。這種深度的合作，即使在歐洲的大型多機(jī)構(gòu)量子合作項(xiàng)目中也不太可能實(shí)現(xiàn)。即便規(guī)模很大的聯(lián)合資助也不等于真正的合作。
鑒于當(dāng)前資助模式的上述不足，文章認(rèn)為是時(shí)候深刻反思、認(rèn)真討論如何組織量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的大規(guī)模項(xiàng)目。雖然一種模式不可能適合所有情況，但其他研究領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)可以提供有用的范例和指導(dǎo)，例如幾十年前就經(jīng)歷過(guò)這種組織變革的高能物理學(xué)和天文學(xué)。
2. 大科學(xué)給我們帶來(lái)什么啟示?
“大科學(xué)”是美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)時(shí)任主任阿爾文·溫伯格(Alvin M.Weinberg)提出的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于形容20世紀(jì)的大規(guī)模、大范圍的科學(xué)事業(yè)，它讓人聯(lián)想到在大型合作中似乎無(wú)限供應(yīng)的儀器和預(yù)算。這類合作針對(duì)的是只有通過(guò)合作才能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)科學(xué)目標(biāo)。核物理及高能物理的歷史就充斥著這類工作——需要非凡的財(cái)政資源和龐大的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)。如今，這類項(xiàng)目在天體物理學(xué)和宇宙學(xué)中也很常見。該模式的當(dāng)代成功例子包括激光干涉引力波天文臺(tái)(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)觀測(cè)引力波以及大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子(Higgs boson)。
材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域在維持多樣化小型實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還借助了大型機(jī)構(gòu)，如斯坦福直線加速器中心(SLAC)的線性相干光源、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源等光子源。在這種模式中，一家大型機(jī)構(gòu)產(chǎn)生資源并向多個(gè)項(xiàng)目輻射。實(shí)際上，這類大型機(jī)構(gòu)已成為生物、化學(xué)、工程等多個(gè)領(lǐng)域中實(shí)驗(yàn)工作的重要資源。產(chǎn)業(yè)研究人員也利用大型機(jī)構(gòu)來(lái)鑒定新材料、提升材料性能等。通過(guò)這種方式，20世紀(jì)的大科學(xué)正逐漸發(fā)展為21世紀(jì)的大“網(wǎng)絡(luò)化科學(xué)”(networked science)，產(chǎn)業(yè)及較小的研究項(xiàng)目整合成更大的機(jī)構(gòu)。
3. 量子互聯(lián)網(wǎng)不是實(shí)驗(yàn)室科學(xué)
在現(xiàn)階段，并非量子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的所有問(wèn)題都需要大型合作，但與建造量子計(jì)算機(jī)這類任務(wù)相比，構(gòu)建功能性量子互聯(lián)網(wǎng)是另一種挑戰(zhàn)了。對(duì)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，眾多參與者之間的協(xié)調(diào)更為重要。驅(qū)動(dòng)力也不一樣了。量子計(jì)算有明確的工業(yè)動(dòng)機(jī)。與之相比，量子網(wǎng)絡(luò)的許多動(dòng)機(jī)源自造福社會(huì)，這些福利在短期內(nèi)可能很難變現(xiàn)，比如增強(qiáng)隱私和安全性。經(jīng)典信息技術(shù)發(fā)展的比較研究支持這一觀點(diǎn)?；ヂ?lián)網(wǎng)和萬(wàn)維網(wǎng)最初源于公共計(jì)劃而非商業(yè)項(xiàng)目。互聯(lián)網(wǎng)的前身是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局開發(fā)的世界上第一個(gè)運(yùn)營(yíng)的封包交換網(wǎng)絡(luò)“阿帕網(wǎng)”(ARPANET)，萬(wàn)維網(wǎng)最初則是歐洲核子研究組織(CERN)的高能物理學(xué)家們?yōu)樘剿魑粗牧Ｗ邮澜缣岢霾⑶覍?shí)現(xiàn)。
歷史上，當(dāng)令人興奮的共同目標(biāo)與無(wú)法克服的技術(shù)挑戰(zhàn)并存，而其他方法無(wú)法解決這些問(wèn)題時(shí)，就會(huì)采用大科學(xué)的方法。即使這種條件下，在高能物理、天文學(xué)等領(lǐng)域，向大科學(xué)的轉(zhuǎn)變也并非易事。美國(guó)能源部費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)首任主任羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)就曾對(duì)大型項(xiàng)目管理的官僚作風(fēng)表達(dá)過(guò)強(qiáng)烈不滿。正如洛克希德·馬丁公司前執(zhí)行總裁諾曼·奧古斯丁(Norm Augustine)的假設(shè)，“如果有足夠數(shù)量的管理層相互疊加，災(zāi)難就肯定會(huì)發(fā)生?！钡傮w而言，高能物理研究界支持大科學(xué)這個(gè)方向，因?yàn)樗J(rèn)識(shí)到要實(shí)現(xiàn)自己的科學(xué)目標(biāo)，別無(wú)他法。
4. 量子互聯(lián)網(wǎng)將是國(guó)際化的
顧名思義，量子互聯(lián)網(wǎng)是全球性的，各國(guó)必須就技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成共識(shí)。量子互聯(lián)網(wǎng)必不可少地將涵蓋多種不同的技術(shù)和平臺(tái)，所以各研究圈必須攜手合作，從應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)、構(gòu)建功能性量子互聯(lián)網(wǎng)所需的方面入手，包括科學(xué)范圍、目標(biāo)、路線圖、交付成果、資助模式、所有可行性論證。
在美國(guó)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)孵化并得到了行業(yè)支持的量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟(Quantum Economy Development Consortium, QED-C)負(fù)責(zé)為量子設(shè)備和系統(tǒng)開發(fā)供應(yīng)鏈。該組織還致力于確保行業(yè)、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及學(xué)術(shù)界的界限融合。這些功能在當(dāng)前的研發(fā)時(shí)代乃至未來(lái)的量子技術(shù)時(shí)代都至關(guān)重要。
公私合作尤其值得關(guān)注，有助于建立信任，解決利益沖突和監(jiān)管問(wèn)題。公私合作的程度有賴于社會(huì)認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)是長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，需要政府大規(guī)模投資，以及行業(yè)投資作補(bǔ)充。
5. 讓量子互聯(lián)網(wǎng)成功
文章認(rèn)為，量子互聯(lián)網(wǎng)也需要大科學(xué)的方法。各國(guó)量子科學(xué)圈面臨的挑戰(zhàn)是找到與他們的體制兼容的組織方法。在美國(guó)，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在協(xié)調(diào)涉及多機(jī)構(gòu)合作的大科學(xué)項(xiàng)目方面經(jīng)驗(yàn)豐富，可以將這種經(jīng)驗(yàn)用于量子科學(xué)，尤其是量子互聯(lián)網(wǎng)。文章提到，在美國(guó)，國(guó)家量子計(jì)劃(National Quantum Initiative)倡導(dǎo)國(guó)家合作，可作為國(guó)際項(xiàng)目和全球項(xiàng)目的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，美國(guó)能源部近期還發(fā)布了量子互聯(lián)網(wǎng)藍(lán)圖。
量子科學(xué)家找到有效的合作方式，讓跨學(xué)科專家加入他們的工作;大規(guī)模的多組織結(jié)構(gòu)(包括學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和聯(lián)邦機(jī)構(gòu))來(lái)制定具有明確科學(xué)和技術(shù)責(zé)任的路線圖。權(quán)威、負(fù)責(zé)任的實(shí)體，再加上適當(dāng)?shù)馁Y源——在這些條件下，量子互聯(lián)網(wǎng)就能成為科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的一個(gè)重要成功案例。
[1] 加拿大卡爾加里大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)研究所教授克里斯托弗?西蒙(Christoph Simon)，美國(guó)加州理工學(xué)院量子技術(shù)聯(lián)盟執(zhí)行主任瑪利亞?斯賓諾普魯(Maria Spiropulu)
（轉(zhuǎn)載）
