歐盟和美國相繼制定量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展愿景與計劃，引起了國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注，近期來自加拿大和美國的兩位專家[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“大科學(xué)”和國際化合作的新模式來建設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)。該文主要觀點如下：
功能性量子互聯(lián)網(wǎng)用量子比特存儲信息，并通過糾纏實現(xiàn)信息的遠距離共享。這種網(wǎng)絡(luò)將改變安全通信、數(shù)據(jù)存儲、精密傳感和計算等多個領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新又將改變社會。例如，提高隱私將加強民主制度。但是，建立這樣的網(wǎng)絡(luò)將是一項復(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)帶來的潛在影響涉及面廣，甚至可能帶來意想不到的挑戰(zhàn)和結(jié)果，學(xué)界需要咨詢社會科學(xué)家、法律專家和歷史學(xué)家，確保這項新技術(shù)的好處在全社會得到廣泛共享。
為實現(xiàn)這些雄心勃勃的目標，我們認為量子科學(xué)界首先應(yīng)進行自我調(diào)整，與大型機構(gòu)展開合作。這類機構(gòu)的專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)涵蓋經(jīng)典通信和量子信息、公共與私營兩大部門、硬件和軟件、科學(xué)和社會。雖然量子互聯(lián)網(wǎng)的單獨元件能在實驗室開發(fā)，但要建立可行的全球網(wǎng)絡(luò)就需要國際合作和“大科學(xué)”的方法。
1. 需要量子合作的新模式
文章認為，在量子科學(xué)與技術(shù)當前的組織架構(gòu)模式中，要實現(xiàn)必要程度的合作與整合很難，因為這種模式針對單獨的研究組及它們之間的小規(guī)模合作。研究組的驅(qū)動力通常是推動某個方向的進步或者成為該方向的權(quán)威，直接回報是高影響力的文章、得到進一步資助。但是，要生產(chǎn)對大型系統(tǒng)有用的元件，這些驅(qū)動力就顯得微不足道了，因為這需要集中組織和長期規(guī)劃。
以量子存儲器舉例，單獨的研究組往往致力于讓內(nèi)存效率、存儲時間或帶寬等具體指標最大化，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)，需要來自多個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構(gòu)量子合作項目中也不太可能實現(xiàn)。即便規(guī)模很大的聯(lián)合資助也不等于真正的合作。
鑒于當前資助模式的上述不足，文章認為是時候深刻反思、認真討論如何組織量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的大規(guī)模項目。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)驗可以提供有用的范例和指導(dǎo)，例如幾十年前就經(jīng)歷過這種組織變革的高能物理學(xué)和天文學(xué)。
2. 大科學(xué)給我們帶來什么啟示?
“大科學(xué)”是美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)時任主任阿爾文·溫伯格(Alvin M.Weinberg)提出的一個術(shù)語，用于形容20世紀的大規(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限供應(yīng)的儀器和預(yù)算。這類合作針對的是只有通過合作才能實現(xiàn)的基礎(chǔ)科學(xué)目標。核物理及高能物理的歷史就充斥著這類工作——需要非凡的財政資源和龐大的多學(xué)科團隊。如今，這類項目在天體物理學(xué)和宇宙學(xué)中也很常見。該模式的當代成功例子包括激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)觀測引力波以及大型強子對撞機(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驗的同時，還借助了大型機構(gòu)，如斯坦福直線加速器中心(SLAC)的線性相干光源、阿貢國家實驗室的先進光子源等光子源。在這種模式中，一家大型機構(gòu)產(chǎn)生資源并向多個項目輻射。實際上，這類大型機構(gòu)已成為生物、化學(xué)、工程等多個領(lǐng)域中實驗工作的重要資源。產(chǎn)業(yè)研究人員也利用大型機構(gòu)來鑒定新材料、提升材料性能等。通過這種方式，20世紀的大科學(xué)正逐漸發(fā)展為21世紀的大“網(wǎng)絡(luò)化科學(xué)”(networked science)，產(chǎn)業(yè)及較小的研究項目整合成更大的機構(gòu)。
3. 量子互聯(lián)網(wǎng)不是實驗室科學(xué)
在現(xiàn)階段，并非量子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的所有問題都需要大型合作，但與建造量子計算機這類任務(wù)相比，構(gòu)建功能性量子互聯(lián)網(wǎng)是另一種挑戰(zhàn)了。對網(wǎng)絡(luò)來說，眾多參與者之間的協(xié)調(diào)更為重要。驅(qū)動力也不一樣了。量子計算有明確的工業(yè)動機。與之相比，量子網(wǎng)絡(luò)的許多動機源自造福社會，這些福利在短期內(nèi)可能很難變現(xiàn)，比如增強隱私和安全性。經(jīng)典信息技術(shù)發(fā)展的比較研究支持這一觀點。互聯(lián)網(wǎng)和萬維網(wǎng)最初源于公共計劃而非商業(yè)項目?；ヂ?lián)網(wǎng)的前身是美國國防部高級研究計劃局開發(fā)的世界上第一個運營的封包交換網(wǎng)絡(luò)“阿帕網(wǎng)”(ARPANET)，萬維網(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覍崿F(xiàn)。
歷史上，當令人興奮的共同目標與無法克服的技術(shù)挑戰(zhàn)并存，而其他方法無法解決這些問題時，就會采用大科學(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。美國能源部費米國家加速器實驗室(Fermilab)首任主任羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)就曾對大型項目管理的官僚作風(fēng)表達過強烈不滿。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)難就肯定會發(fā)生?！钡傮w而言，高能物理研究界支持大科學(xué)這個方向，因為它認識到要實現(xiàn)自己的科學(xué)目標，別無他法。
4. 量子互聯(lián)網(wǎng)將是國際化的
顧名思義，量子互聯(lián)網(wǎng)是全球性的，各國必須就技術(shù)和標準達成共識。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，所以各研究圈必須攜手合作，從應(yīng)對挑戰(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、路線圖、交付成果、資助模式、所有可行性論證。
在美國，國家標準與技術(shù)研究院(NIST)孵化并得到了行業(yè)支持的量子經(jīng)濟發(fā)展聯(lián)盟(Quantum Economy Development Consortium, QED-C)負責(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)、國家實驗室以及學(xué)術(shù)界的界限融合。這些功能在當前的研發(fā)時代乃至未來的量子技術(shù)時代都至關(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)管問題。公私合作的程度有賴于社會認識到科學(xué)技術(shù)是長期經(jīng)濟增長的驅(qū)動力，需要政府大規(guī)模投資，以及行業(yè)投資作補充。
5. 讓量子互聯(lián)網(wǎng)成功
文章認為，量子互聯(lián)網(wǎng)也需要大科學(xué)的方法。各國量子科學(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，國家實驗室在協(xié)調(diào)涉及多機構(gòu)合作的大科學(xué)項目方面經(jīng)驗豐富，可以將這種經(jīng)驗用于量子科學(xué)，尤其是量子互聯(lián)網(wǎng)。文章提到，在美國，國家量子計劃(National Quantum Initiative)倡導(dǎo)國家合作，可作為國際項目和全球項目的堅實基礎(chǔ)，美國能源部近期還發(fā)布了量子互聯(lián)網(wǎng)藍圖。
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、國家實驗室和聯(lián)邦機構(gòu))來制定具有明確科學(xué)和技術(shù)責(zé)任的路線圖。權(quán)威、負責(zé)任的實體，再加上適當?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)和社會的一個重要成功案例。
[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）
