DARPA的量子计算项目技术介绍

DARPA量子网络被称为“第一个量子网络”。虽然自项目开始以来的近20年里，量子网络已经有了长足的发展，但DARPA网络确实是迈向量子网络未来的重要一步。让我们来看看DARPA QN是什么，以及该项目如何为今天的QN做出贡献。

什么是DARPA量子网络？

DARPA QN 是一个 10 节点量子密钥分发 （QKD） 网络，于 2003 年至 2007 年在马萨诸塞州波士顿和剑桥市运行。该网络的第一批部分于 2003 年 10 月上线;后来，该网络扩展到附近的两所大学，使用在剑桥街道下运行的光纤。

该网络超越了之前单链路QKD的演示，创建了一个互连节点网络，使其获得了“第一个量子网络”的称号。虽然该网络不包括大规模QN（如量子中继器）所需的技术，但它是未来QN发展的重要一步。该计划证明了QKD协议在网络上的可行性，并贡献了其他几项成就，包括开发破纪录的QN组件和演示量子攻击者。

回顾：什么是QKD网络？

QKD 网络是特殊用途的 QN，用于运行特殊类型的支持量子的加密协议，称为量子密钥分发 （QKD） 协议。QKD利用量子态的特性来实现密码学，超越当今经典算法所能实现的，包括在未来对量子计算机的保护。也许最著名的 QKD 协议是 BB84，它开创了 QKD 研究领域。虽然 QKD 可以提供有价值的保护，但 QKD 网络（如 DARPA QN）不是通用 QN，它们不能用于其他令人兴奋的量子网络解决方案和应用，如分布式量子计算或量子传感。

DARPA QN的成就

除了证明第一个QKD网络的概念外，DARPA量子网络还带来了几项重要的创新。该网络连续运行了数年，允许对各种协议和算法进行实际测试，以及开发新的协议和变体。

作为该项目的一部分，研究人员展示了第一个超导纳米线单光子探测器，这是一种用于测量单个光子的新型探测器。发现该探测器比当时任何现有探测器至少快 20 倍。这项技术已经比网络本身更持久，并且已被证明对光子检测非常有用，光子检测是任何量子网络的关键组成部分。

该项目的另一个显着成就是首次演示了量子窃听器。QKD的一个关键特征是理论上能够利用量子态的特性来证明能够检测到窃听者。使用有效的DARPA网络，研究人员能够根据经验测试在攻击者存在的情况下会发生什么。这些结果有助于推动QKD的研究更接近现实。

相关工作

虽然DARPA QN是第一个QKD网络，但它不是最后一个。从那时起，世界各地都做出了类似的努力。随后的学术演示包括欧洲的SECOQC网络、南非的QuantumCity网络、东京QKD网络、SwissQuantum QKD网络和剑桥量子网络。工业界也参与其中。例如，东芝和英国电信去年联手进行了QKD演示。

这与通用量子网络有什么关系？

虽然QKD网络的所有这些进展令人兴奋，但使用量子中继器的通用量子网络的下一步将更具影响力。在项目结束时，DARPA的研究人员写道，使用量子中继器扩展网络将产生“几乎无法想象的后果”。虽然当时该技术尚未准备就绪，但QN技术现在正在达到一个转折点。例如，代尔夫特大学的研究人员最近展示了纠缠交换，这是基于量子中继器的QN的关键技术。扩展这些创新将导致通用量子网络，可以支持不可破解的量子安全和大规模量子计算等应用。

弗吉尼亚州阿灵顿美国国防高级研究计划局 （DARPA） DARPA 为其公用事业规模量子计算未充分探索的系统 （US2QC） 计划指定了三个行业合作伙伴，该计划旨在确定未被充分探索的量子计算方法是否可以实现公用事业规模的操作——换句话说，其计算价值超过其成本——比传统预测更快。

根据 2022 年发布的白宫备忘录，量子计算对美国的国家安全利益极为重要，因为对手使用的先进量子计算机将能够破解美国和全球计算系统中使用的大部分公钥密码学。这种先进的系统将危及民用和军用通信，破坏关键基础设施的监督和控制系统，并破坏基于互联网的金融交易的安全协议。

在US2QC的初始阶段，被点名的公司 - Atom Computing，Microsoft和PsiQuantum - 将分别提出一个设计概念，描述他们创建实用规模量子计算机的计划;然后，该概念将指导更严格的系统设计，重点关注量子计算机可以按照预期设计和操作的所有组件和子系统。

这些概念将由DARPA领导的测试和验证团队进行评估，该团队由来自政府实验室和联邦政府资助的研发中心的专家组成，将评估这些概念。

“专家们不同意基于传统设计的实用规模量子计算机是否还需要几十年的时间，或者可以更早实现，”DARPA国防科学办公室US2QC项目经理Joe Altepeter说。“US2QC的目标是减少未被充分探索的量子计算系统造成的战略意外危险。我们去年发出了一个电话，说如果有人认为他们有一个真正革命性的方法来在不久的将来——不到10年——建造一台有用的量子计算机，我们希望听到他们的意见。我们提出通过资助更多专家加入他们的团队进行合作，并对他们提出的解决方案进行严格的政府验证和确认，以确定其可行性。该计划的最终结果是双赢的 - 美国在这一具有重要战略意义的技术领域的商业领导地位和国家安全避免意外。

DARPA计划将US2QC计划跨越五年和四个阶段。

管拥有数百万个物理量子比特（或量子比特）的通用容错量子计算机可能还需要十年或二十年的时间，但量子计算研究仍在继续。据推测，量子计算机有朝一日将彻底改变从药物发现到先进电池、机器学习和密码学等一系列军事和民用应用的信息处理。然而，在向容错量子系统竞争的竞赛中，一个关键的缺失因素是有意义的指标，以量化大型量子计算机一旦存在后的实际有用性或变革性。

为了提供衡量量子计算进展的标准，并推动当前研究朝着特定目标发展，DARPA宣布了其量子基准测试计划。其目的是重新发明关键的量子计算指标，使这些指标可测试，并估计达到关键性能阈值所需的量子和经典资源。

加州伯克利26年2020月8日电 /美通社/ -- 混合量子经典计算系统的先驱Rigetti Computing已获得美国国防高级研究计划局（DARPA）高达6万美元的资助，这是与美国宇航局量子人工智能实验室（QuAIL）和大学空间研究协会（USRA）合作的一部分，旨在开发具有经过验证的量子优势的全栈系统，以解决现实世界的问题。

基于超导量子比特的 Rigetti 量子计算机。

特别是，这项工作将解决经典计算机仍然难以或不可能解决的复杂调度问题。使用量子计算机寻找新的解决方案可能对国家安全产生重要影响，例如实时战略资产部署，以及包括全球供应链管理、网络优化或车辆路线规划在内的商业应用。

“我们很荣幸被DARPA选中，并相信我们具有独特的优势，可以展示这类问题的量子优势，”Rigetti工程战略高级副总裁Mandy Birch说。“我们坚信集成的硬件和软件方法，这就是为什么我们将可扩展的Rigetti芯片架构与NASA-USRA团队开创的算法设计和优化技术结合在一起。

此次合作将专注于开发超导量子处理器、硬件感知软件和基于真实场景的定制算法。这项工作将利用Rigetti的Fab-1（美国唯一的专用量子集成电路代工厂）来制造规模超过100量子比特的芯片。此外，NASA-USRA团队将设计将硬件与经典计算机进行基准测试的方法，以确定量子优势。

该赠款是 DARPA ONISQ（噪声中尺度量子优化）计划的一部分。该计划的目标是确定与最知名的经典方法相比，使用 NISQ 设备的量子信息处理在解决现实世界的组合优化问题方面具有定量优势。