关于数字货币最全面的一篇文章（上）

看点： 顺应数字经济时代的发展浪潮、“去美元化”大背景下，数字货币要来了。

商务部近日印发《全面深化服务贸易创新发展试点总体方案》，其中公布了数字人民币试点地区：在京津冀、长三角、粤港澳大湾区及中西部具备条件的试点地区开展数字人民币试点。据新华网消息，目前数字人民币已经完成了顶层设计、标准制定、功能研发、联调测试等工作，将先行在深圳、苏州、雄安新区、成都及未来的东奥场景进行内部封闭试点测试。也就是说，如果顺利的话，北京2022年冬奥会上也许能“一睹芳容”。

其实，央行早在 2014 年便设立数字货币研究所，研究发行法定数字货币的可行性；2017 年末，经国务院批准，央行组织工商银行、中国银行、浦发银行等商业银行和中钞公司、上海票据交易所等有关机构共同开展数字人民币体系（ DC/EP）的研发，并于 2018 年 2 月，上海票据交易所数字票据平台实验性生产系统正式上线试运营；2019 年央行在召开下半年工作电话会议时，要求加快推进我国法定数字货币（ DC/EP）研发步伐 。

那么，推出数字货币的背后原因是什么？

本期的智能内参，我们推荐国海证券和新时代证券关于数字货币的两份研究报告，揭秘数字货币的前世今生以及央行推出数字货币的背后逻辑。

1、数字货币原理及各国发展状况

数字货币是货币体系不断演进的必然结果，属于货币 4.0 阶段 。货币是人类发明除了文字之外的另一重要发明，在经历了物物交换、金银本位制之后，信用货币成为货币史上的重要跨越。

其中，最初的以物易物便是一种去中心化的制度安排，但是由于交易效率极低，供需耦合难度较大，缺乏统一价值衡量标准，极大限制了人类的经济活动和贸易范围，因此逐渐被金银等贵金属所代替，这一交易体制在货币发展史上经历的时间较为漫长，由于存在天然损耗、币价不足额、缺斤短两、以次充好、劣币驱逐良币等现象，以国家信用为背景的纸币——纯信用货币开始出现，纸币不仅节约了发行成本，也克服了贵金属货币携带不便等难题，极大促进了近代史的贸易发展，中央银行货币政策 *** 作也成为可能。

如果说纸币实现了信用货币从具体物品到抽象符号的第一次飞跃，那么建立在区块链、人工智能、 云计算和大数据等基础上的数字货币实现了信用货币由纸质形态向无纸化方向发展的第二次飞跃，数字货币并没有改变货币背后的信用背书，而是改变了货币的存在形式，至此，货币完成了商品货币——贵金属充当一般等价物——信用货币——数字货币的演进，因此货币存在形式的演进意味着货币体系运行成本更低、更安全、更高效，数字货币是货币体系从商品货币向信用货币不断演进的必然结果。

数字货币不是电子货币的替代，根据发行者不同，数字货币可以分为央行发行的法定数字货币和私人发行的数字货币。目前，关于数字货币(Digital currency)并没有统一的标准和定义。按照央行数字货币研究所的定义来看，狭义的数字货币主要指纯数字化、不需要物理载体的货币；而广义的数字货币等同于电子货币，泛指一切以电子形式存在的货币，包括电子货币、虚拟货币和数字货币。

根据发行者不同，数字货币可以分为央行发行的法定数字货币和私人发行的数字货币。其中，央行发行的数字货币，是指中央银行发行的，以代表具体金额的加密数字串为表现形式的法定货币，它本身不是物理实体，也不以物理实体为载体，而是用于网络投资、交易和储存、代表一定量价值的数字化信息；私人发行的数字货币，亦称虚拟货币，是由开发者发行和控制、不受政府监管、在一个虚拟社区的成员间流通的数字货币，如比特币(Bitcoin)等。

广义数字货币大致可以分为三类：一是完全封闭的、与实体经济毫无关系且只能在特定虚拟社区内使用的货币，如虚拟世界中的 游戏 币；二是可以用真实货币购买但不能兑换回真实货币，可用于购买虚拟商品和服务，如 Facebook 推出的 Libra；三是可以按照一定比率与真实货币进行兑换、赎回，既可以购买虚拟商品服务，也可以购买真实的商品服务，如央行发行的法定数字货币。

数字货币是数字经济的货币发展形态。2020 年疫情以来，以“新投资、新消费、新模式、新业态”为主要特点的数字经济已经成为推动我国经济 社会 平稳发展的重要力量。根据国家统计局数据显示，虽然第一季度 GDP 同比下降了 6.8%，而数字经济领域呈现出较好的发展势头，其中，电子元件、集成电路产量同比增长16%和 13.1%，信息传输、软件和信息技术服务业增加值同比增长 13.2%，电子商务服务投资同比增长 39.6%。

在经受住了疫情带来的考验之后，我国数字经济进入了提速快速发展时期，亟需实现数据、技术、产业、商业、制度等协同发展，构建数字经济新型生产关系，通过要素市场改革进一步激发数字生产力，而数字货币基于节点网络和数字加密算法，是为了迎合数字经济发展需要，是其具体的货币发展形态。

数字货币建立在复杂网络理论基础，以区块链技术为核心，充分体现了不可篡改和加密安全等特点，实现底层数字货币，中间层数字金融账户体系，覆盖了央行支付体系、商业银行、非银机构等垂直化总分账户体系，同时实现了各国央行的支付清算系统的互联互通，顶层数字身份验证体系等，通过大数据和云计算，实现传统货币体系向数字货币体系的转变。

最早数字货币的出现可以追溯到 1982 年，美国计算机科学家和密码学家 DavidChaum 创立了 DigiCash,同时推出了两种数字货币系统：E-Cash 和 cyberbucks，这两种系统均基于 Chaum 的盲签合约建立的，能保持用户匿名且身份难以被追踪。但当时缺乏足够的技术支持，且不能做到完全匿名，最终得以失败告终。

1996 年，著名肿瘤学家 Douglas Jackson 发起了有真正黄金的支持 E-gold，因此大受欢迎，甚至一度有希望在数百个国家吸引超过 500 万个用户。不幸的是，后来平台持续遭遇黑客攻击并且吸引了大量非法洗钱交易，该公司在 2009 年陷入了困境。

1998 年，一家莫斯科的公司推出了 Web Money 这一种通用数字货币，能够提供广泛的点对点的付款解决方案，涵盖互联网交易平台。它也是少数幸存的尚未加密的数字货币之一。时至今日，该货币仍被数百万人广泛的使用和接受。与此同时，它也可以转换为法定货币，如卢布，美元，英镑，甚至比特币。

2008 年 11 月，中本聪提出比特币的概念，并发布著名论文《比特币，一种点对点的电子现金系统》，文中首次出现区块链，能在不具信任的基础上，建立去中心化的电子交易体系。2009 年 1 月 3 日比特币正式诞生。比特币是一种 P2P 形式的虚拟加密数字货币，采用开源的区块链技术，将交易信息存储在分布式账本中，这使得破解网络几乎成为不可能；另外，其点对点的传输构建了一个去中心化的支付系统。此后，比特币系统逐渐成熟，官方又陆续发布了新版本，增加了很多特性。

2013 年，以太币(ether)诞生，它基于以太坊技术衍生出的一种虚拟加密货币，是目前仅次于比特币市值第二高的加密货币。以太币以区块链为基础，跟比特币类似，但使用的 科技 完全不同，是具有开源智慧合约(smart contract)功能的公共区段链平台，双方达成合约条款就能执行。2010 到 2014 年间，比特币多节点挖矿和点点币（ PPcoin）诞生，在采矿方面发挥了作用。2013 年 8 月，德国承认比特币的合法化。

以比特币为代表的私人数字货币，虽本质上不具备货币职能，但已对现行的货币与金融体系构成了巨大挑战，为应对这一挑战，各国央行正在积极研发或推行法定数字货币。早在 2013 年 Shoaib et al.就提出官方数字货币的概念，英格兰银行（ BOE）2014年发布的报告明确以分布式账本技术（ Distributed Ledger Technology，DLT）作为数字货币的分类标准，一类是加密数字货币，即运用分布式账本技术生成的数字货币，并指出比特币是史上第一个加密数字货币；

另一类是非加密数字货币，以瑞波币为典型代表；随后国际清算银行下设的支付和市场基础设施委员会（ CPMI）将法定数字货币定义为加密货币，根据存在形式是否基于央行账户，将法定数字货币分为央行数字账户和央行数字货币。根据国际清算银行（ BIS）提出的“货币之花”模型，明确了央行数字货币的概念，即央行数字货币是一种数字形式的中央银行货币，且区别于传统金融机构在中央银行保证金账户和清算账户存放的数字资金。

▲“货币之花” 模型

数字货币与政府的关系相当复杂，各国政府既恐惧又好奇。各国对于数字货币的讨论、实验和试点将持续进行，因为如果有经济体开始使用数字货币，那将在全球产生溢出效应，因此各国经济体都将越来越重视这种新的现象和新趋势。

1、美联储 Fedcoin 项目 。 这是一种零售型央行数字货币，可与美元进行等价兑换（即汇率是 1:1）。该货币协议与比特币有诸多相似之处，区别主要体现在两方面。一是在 Fedcoin 中，有一个用户（美联储）拥有特殊权限，能够随意创建和撤销账簿使用权。二是发行数量不像比特币那样有一个事先定好的规则，而是可以像现金一样调整发行量。

2、 加拿大央行的 CADcoin 项目 。 这是一种批发型央行数字货币。加拿大央行搭建了一个基于分布式账簿的大额支付系统， CADcoin 是在这个系统中使用的货币。近日在卡尔加里的内部介绍会上，加拿大央行展示了他们正在开发的电子版加元—CAD-Coin。这项代号为“Jasper”的创新初衷是帮助央行通过分布式总账 科技 发行、转移或处臵央行资产。多家加拿大主要的银行，包括加拿大皇家银行、 TD 银行及加拿大帝国商业银行均参与了该项目。

3、 瑞典央行的 eKrona 项目。 目前，瑞典正在逐渐转型为“无现金 社会 ”。数据显示，自 2009 年以来，瑞典纸币及硬币的数量已经下降了 40%，居民更倾向使用yhk、智能手机和电子钱包来处理日常的各种交易。随着现金使用量持续减少，瑞典央行尝试为民众提供一种不通过零售银行等中介的支付方式。瑞典央行要求， eKrona 必须能够用于小额购买。由于目前尚未确定使用哪种技术， eKrona 有两种可能的形式，一种是存款货币单位（即个人直接在央行开户，而非在商业银行开户），另一种是零售型央行数字货币。

▲海外各国或组织数字货币的最新动态

每个国家的金融体系和货币政策体制不同，是否需要采用央行数字货币利率这一新型货币政策工具，必须具体情况具体分析。而海外各国又不想失去在数字货币占得一席之地的机会，所以出台的政策法规也是经常变换，时宽时严。

国际清算银行 。2015 年 11 月，国际清算银行发布《DigitalCurrencies》报告，详细介绍了数字货币作为零售支付手段的影响等内容；2018 年 3 月，国际清算银行发布《中央银行数字货币对支付、货币政策和金融稳定的影响》的报告，对中央银行数字货币的发行进行了分析。

国际货币基金组织 。2017 年 6 月，国际货币基金组织（ IMF）发布了一份关于金融 科技 行业发展的报告《Fintech and Financial Services : Initial Considerations》，针对如何有效监管分布式账本技术（ DLT）及以其为基础的数字货币提出了建议。2018 年，经济合作与发展组织 OECD 和 20 国集团 G20 共同发布一份中期报告《数字化带来的税收挑战》，提出要对加密货币和区块链技术形成的数字资产交易信息进行监管。

英国 。英国的财政委员会对加密算法进行了评估，认为他们目前不会对英国的货币或金融稳定构成风险。然而，加密算法确实给投资者带来了风险，任何购买加密算法的人都应该准备好丢掉所有的钱。

日本 。日本作为全球最大的比特币交易市场，日本政府对数字货币的态度可谓是非常积极。从去年开始，日本就免除了数字货币交易的消费税，承认数字货币的合法性和货币属性。2017 年日本开始实施《资金结算法案》，承认数字货币作为支付手段的合法性。之后，日本金融厅（ FSA）颁布《支付服务法案》，对数字货币交易所实施全方位监管。所有在日本境内运营的交易所必须获得财政部与 FSA 的牌照授权。

新加坡 。在新加坡政府对金融 科技 “不寻求零风险，不扼杀技术创新”的原则指导下，新加坡积极发展区块链技术，积极推动数字货币的发展，新加坡是亚洲区域内最支持数字货币发展的国家之一。由于新加坡的积极良好的制度环境，多家交易所选择在新加坡开展业务，例如 WBF EXCHANGE 就与新加坡政府合作密切。

2020 年 3 月，新加坡金融管理局（ MAS）正式公布关于支付服务经营牌照的豁免企业名单，名单上的实体已取得豁免期内的特定支付服务或数字货币相关支付服务的许可证和经营权，包括阿里巴巴、支付宝、亚马逊等大型机构的新加坡实体均在名单之列。

关于数字货币相关支付服务的豁免许可，包括币安、 OKCoin、 BitStamp、币信、Coinbase、 CoinCola、 TenX、 Upbit、 ZB 等近 200 家公司均可在正式下达牌照前以豁免状态合法运营。

泰国 。为了更好的监管数字货币行业， 2018 年 6 月，泰国颁布了《数字资产法》，宣布为合规加密货币交易所颁发牌照，开始实行牌照化管理。

澳大利亚 。由于金融犯罪不断增加， 2017 年 10 月，澳大利亚通过了《财政法案 2017 年修正案（ 2017 措施 6）》， 2017 年底，正式通过了《反洗钱与反恐怖主义融资法案2017 年修正案》，明确了数字货币并不是货币资产，而是价值的电子表现形式。提供数字货币交易业务的机构，必须向澳大利亚交易报告和分析中心（ AUSTRAC）提交申请，取得相应监管牌照与准入许可。交易所应根据反洗钱/CTF框架下的制度标准，对业务进行反洗钱和反恐融资评估。违规者将被判处两年有期徒刑或 500 英镑罚金，情节严重者，将被判处七年有期徒刑或 2000 英镑罚金。

海外央行数字货币实践的启示 ：

1）、 央行应加强对数字货币的监管。数字货币搭载在为更广泛的金融体系服务的基础设施上，从与现有金融体系的链接中获得合法性的外表，这是其明显的特性。在法律法规方面，中央银行的监管应该加强， 将数字货币与实体货币相分离，确保数字货币没有寄生在实体货币上。

中央银行应与商业银行合作，发挥“数字前线”的监管作用，禁止商业银行做出充当“比特币自动取款机”的不道德行为，同时，不允许这些数字货币与整个金融体系现有的基础设施共存，以保障支付系统正常运行。

2）、 技术方面需要加强。应适当地采用数字货币的新技术，来改进国家的金融服务，尤其是在一些新兴市场经济体的支付方面。新兴国家中央银行可能会从区块链和分布式账本技术实施中获得最大收益，主要是因为现有的财务流程和技术系统不是很高效，可以通过实施数字货币或其他基于区块链的应用程序来实现更大的金融包容性，运用分布式账本技术可以提高效率，减少消费（零售）和银行间（批发）层面的跨境支付摩擦。而现金业务完全电子化之后，用户转场手机银行 APP 等线上渠道，那么银行之前的硬件渠道建设也将面临转型的考验。

3）、做好应对冲击的准备。数字货币由于自身的缺陷，不可能取代传统的货币，但其一旦全面发行，所带来的影响和冲击是难以预测的。因此，央行必须积极做好技术进步对金融冲击的相关准备。同时，披着合法外衣的数字货币搭载在为更广泛的金融体系服务的机构和基础设施上，可能形成严重的金融风险，威胁金融系统的稳定， 中央银行必须从公共利益出发做好数字货币带来的各种风险应对工作，坚持公平竞争的原则，加强对数字货币的监管，规范和引导数字货币及相关技术的发展。

2、 国内数字货币发展历程

人民币作为中国通行流通的央行货币已经历经 71 年。随着计算机和互联网技术的快速发展，人民币已经逐步实现电子化，迈入 2.0 时代。流通在银行等金融体系内的现金和存款早已通过电子化系统实现数字化，而支付宝、微信支付等第三方移动支付的大规模普及，让流通中的现钞比重逐渐降低。现在国人日常消费几乎不需要使用现钞。移动支付已经改变了人们生活的方方面面，带来快速便捷的支付体验。人们开始畅想未来的“无现金 社会 ”，中国也成为最接近无现金 社会 的国家之一。

但中国的移动支付更多是商业驱动，是一种货币的电子化支付手段，而非真正意义上的数字“人民币” 。从贵金属到纸币替代贵金属充当货币，再到未来的数字化货币，是经济和 科技 发展到一定阶段的必然产物；而随着网络通讯技术日益发达、 社会 交易活动日益频繁与活跃，加上民众购物消费习惯的变化及对货币流通安全性的考虑，人们越来越趋向于使用电子银行、电子支付而不愿携带纸币，因此，由央行提供比纸币更快捷、低成本的数字化货币媒介工具，是顺应时代发展之必需。

中国人民银行从 2014 年开始成立专门研究小组研究央行数字货币，至今已有五年。当前央行数字货币（ DC/EP）为技术研发过程中的测试内容，数字人民币体系在坚持“央行-商业银行/-货币使用者”双层运营、 M0 替代、可控匿名的前提下，本完成顶层设计、标准制定、功能研发、联调测试等工作， 并遵循稳步、安全、可控、创新、实用原则，先行在深圳、苏州、雄安、成都及未来的冬奥场景进行内部封闭试点测试，以不断优化和完善功能。

▲我国数字货币发展历程

当前我国对于法定数字货币处于内测阶段， DC/EP 采取“中央银行—商业银行”的二元投放体系以及“一币、两库、三中心”运行框架

“一币”指的是央行担保发行的 DC/EP，“两库”是指央行的发行库和商业银行的银行库:DC/EP 首先在央行和商业银行间发生转移，即 DC/EP 的发行与回笼，之后再由商业银转移到居民与企业手中。“三中心”则是 DC/EP 发行与流通的技术保障，包括登记中心、认证中心和大数据分析中心。

其中，登记中心负责记录发行、转移和回笼全过程的登记；认证中心负责对 DC/EP 用户的身份进行集中管理，这是 DC/EP 保证交易匿名性的关键；DC/EP 的一个关键是在于反洗钱、反偷税漏税和反恐怖融资等做出较大改进，大数据中心通过对于支付行为的大数据分析，利用指标监控来达到监管目的：

▲“一币、两库、三中心”运行框架

我国央行选择推出数字货币具有重要的突破性意义，可以说，央行选择推出数字货币不仅是顺应货币演进规律的必然选择，也是保护人民币主权地位的重要举措。具体来看：

1、 顺应数字经济时代的发展浪潮 。由于纸币的发行、运输、存储等各个过程均耗费人力和物力，而随着移动互联网时代的到来，货币无纸化可以节省货币的发行和流通成本，给人们的生产生活方式带来便利。

另外，传统纸币不记名的特点使得监管机构无法掌握纸币的使用流通情况，利用纸币进行偷逃税、洗钱等经济犯罪是现实中无法避免的黑洞。央行数字货币可以实行可控匿名，在保证公民合法私有财产不受侵犯的同时，当发生违法犯罪事件时，数字货币的来源可追溯。因此，能够有效打击洗钱、逃漏税等违法行为，提升经济交易活动的透明度。

数字货币具备的快速流通性、便捷性、高安全性等特质均是传统纸币所不能比拟的。正如纸质货币最终替代了金属货币一样，货币无纸化也是大势所趋，是货币不断演进的必然结果。目前支付宝、微信、银联支付等已经实现了 M2 范畴的货币无纸化，而央行推出数字货币替代传统的纸币，可以实现 M0 范畴的货币无纸化，顺应了数字经济时代的发展浪潮。当然，所有事物的发展都不是一蹴而就的，货币无纸化也将是一个逐步发展的漫长过程，这也是央行在起初可能只选择推出部分数字货币，替代部分纸币的重要原因。

2、 降低全球美元货币体系的不利影响 。20 世纪 70 年代布雷顿森林体系瓦解后，货币发行以国家信用为基础，美国凭借强大的军事、经济能力使美元成为全球最主要的储备货币。但美元在执行世界货币职能的过程中，美国获取了诸多经济利益的同时，也可能给其他国家经济造成各种负面影响，最明显的例子即美国可以通过发行美元向世界征收通货膨胀税。

而且，当今世界的三大金融系统 SWIFT、CHIPS、Fedwire 均被美国一家独揽， 不论是美元、欧元、日元还是人民币，美国都可以实时获取各国货币的资金交易信息，美国利用该金系统对许多国家和企业进行制裁的行为屡见不鲜，欧洲与其他国家怨声载道。目前，除了中国之外，欧盟、日本、俄罗斯等国家都在研究如何构建数字货币支付网络，以推动“去美元化”进程。

3、保护货币主权，推进人民币国际化 。2019 年 6 月，Facebook 发布 Libra 白皮书，试图打造一种超主权的“世界货币”。Libra 以区块链技术为基础，以一篮子银行存款和短期政府债券为储备资产，为Libra 稳定币增信，最大限度地降低币值波动风险，其使命是“建立一套简单的、无国界的货币和为数十亿人服务的金融基础设施”。其中，一篮子货币中美元占50%，欧元占 18%，日元、英镑和新加坡元分别占 14%、11%和 7%，但是没有人民币。

由于 Facebook 在全球拥有 23 亿的用户，若 Libra 成功被广泛使用，Libra 跨境资金流动将不受限制，这也意味着在非储备国家可以随意使用 Libra 进行支付，那么，非储备货币国家的货币主权地位势必会受到影响。对于中国而言，人民币和外汇管理均会受到冲击，人民币国际化的进程也将受阻。因此，中国必须未雨绸缪，我国央行发行数字货币便是应对 Libra 的重要举措。

卡尔加里（Calgary）又称卡城，是一座位于加拿大阿尔伯塔省南部落基山脉的城市，面积789.9平方公里，海拔约1048米。根据2007年市人口普查，市内人口有1,019,942人，2006年全国人口普查大卡尔加里更有人口1,079,310人。卡尔加里是艾伯塔省经济、金融和文化中心。这个城市的工程师密度是全加第一，多次被评为世界上最干净的城市。 [编辑本段]历史卡尔加里一词的意思是“清澈流动的水”。十八世纪七十年代，开始有欧洲殖民者在此定居，后来成为西北皇家骑警（North West Mounted Police）的一所驿站。后加拿大太平洋铁路修建至此，卡尔加里逐渐发展成市。1941年这里发现了丰富的石油和天然气，从此城市得到了迅速的发展。世界上包括中国的众多的石油公司都在这里设有常驻机构，很多大的石油公司的总部就设在这里，因此卡尔加里也被称作加拿大的能源中心。1988年在这里举办过第十五届冬季奥林匹克运动会，当时作为赛场的室内滑冰场位于知名学府卡尔加里大学的校区内。 [编辑本段]地理卡尔加里属落基山脉的“脚山”(Foothills)地带。 [编辑本段]班芙国家公园城市以西的班夫国家公园是世界著名的自然风景区，也是加拿大第一所国家公园，各国游客亦慕名而来。卡尔加里火焰队是加拿大最好冰球队之一。卡尔加里与中国的大庆是姊妹城市。 [编辑本段]分区卡尔加里分为东南(SE)、东北(NE)、西南(SW)、西北(NW)4个区(Quadrants)(按此观看卡尔加里地图) ，主要以弓河(Bow River)作南北分界，中央大街(Centre St)和南部的MacLeod径(Macleod Trail)作东西分界。市中心(City Centre，通称Downtown)主要位于东南和西南区。本市共有超过180小区(Neighbourhoods)，列表如下: [编辑本段]教育卡尔加里大学 (University of Calgary)

南亚省理工学院 (SAIT - Southern Alberta Institute of Technology)

皇家山学院 (Mount Royal College) [编辑本段]交通卡尔加里是加拿大西部的主要运输中心。本市东北区的卡尔加里国际机场(YYC)是加国第4大的机场，也是一个主要货运中心。卡尔加里国际机场有直飞航班往加国主要城市、美国、欧洲和中美洲，亦有货运航班往亚洲。由于卡尔加里也位于泛加拿大公路(Trans-Canada Highway，1号公路)和加拿大太平洋铁路(CPR)上，因此也是个主要物流中心。

卡城也有一个街道及快速公路系统。大部份街道以数字及区别命名(例 14 Street SW 西南14街、7 Avenue SW 西南7大道，Streets街是南北走向，Avenues大道是东西走向)，但在住宅小区内则大部份以小区名命名(例 西南Woodbine小区有Woodbine Blvd SW、Woodmont Way SW等。 主要高速公路有跨加高速公路(Trans-Canada Way)、Crowchild 径(Crowchild Trail)、 鹿蹄径(Deerfoot Trail，往北可通往省会埃德蒙顿，向南通达加美边境)、弓径(Bow Trail)、镜芜径(Glenmore Trail，亚省8号公路)等。

卡城有一个叫C-train的轻铁系统，是北美洲第一个轻铁系统，总长42.1km，设有2条主要在地面营运路线(201及202)，由市营的卡尔加里运输营运，与同由卡尔加里运输营运，有超过160路线，800辆巴士营运的市内巴士相辅相成。 [编辑本段]【文化】七月的第一个星期五，卡城就会举行一年一度的卡尔加里牛仔节（Calgary Stampede）是这个城市最著名的节日, 也享有"世界最大室外活动"的美称. 这个节日每年都能吸引来自世界各地但主要是美国的游客. 除了有牛仔比赛活动外,还会有各种娱乐节目,花车表扬 和歌唱会, 在牛仔公园内也有超过一百家的饭店和餐馆. 牛仔节2009年将在7月3日举行,为期10天. 在这10天内,会有家庭日和儿童日,分别是第一个星期日和星期三,这两天早晨10点前,门票免费,而在手上盖了章子后,可以一直当门票用到当晚11点59分.每晚还会有烟花表演. 节日期,所有商店和服务业都会有打折活动, 每年都会吸引一百多万世界游客到此一游. 【友好城市】美国菲尼克斯

韩国大邱

波斯尼亚和黑塞哥维那萨拉热窝

中国大庆

印度斋浦尔

墨西哥瑙卡尔潘

加拿大魁北克城

一个利用量子纠缠在远方用户之间建立密切联系的量子网络正在形成。

撰文 | Gabriel Popkin

译者 | 潘佳栋

审校 | 刘培源、晏丽

当一束优雅的蓝色激光进入一个特殊的晶体中时，在晶体里其变成红色，这表明每个光子都分裂成一对能量较低的光子，并且产生了一种神秘的联系。这些粒子“纠缠”在一起，就像同卵双胞胎一样相互联系。尽管住在遥远的城市，它们却知道彼此的想法。光子穿过一团乱麻，然后轻轻地将它们编码的信息存入等待的原子云 （clouds of atoms） 中。

“这种变换有一点像魔法”，石溪大学的物理学家伊登·菲格罗亚 （Eden Figueroa） 欣喜若狂。他和同事们在几个实验室长凳上炮制了这个装置，上面堆满了镜头和镜子。但是他们心中有一个更大的想法。

图1：伊登·菲格罗亚 (Eden Figueroa) 正试图将微妙的量子信息从实验室引入互联世界

到年底，美国最大的都会区，包括纽约市郊区的司机可能会在不知不觉中为一个新的、可能具有革命性意义的网络的薄弱环节而努力：一个通过像菲格罗亚实验室那样的纠缠光子联系在一起的“量子互联网” 。

数十亿美元已经被投入到量子计算机和传感器的研究中，但许多专家表示，这些设备只有在远距离相互连接时才会迅速发展。就像网络将个人计算机从美化的打字机和 游戏 机转变为不可或缺的电信设备一样，这一愿景和网络的这一方式相似。

纠缠是一种奇怪的量子力学性质，尽管它曾被阿尔伯特·爱因斯坦嘲笑为“幽灵般的超距作用”，但是研究人员仍希望能够在远距离建立紧密的、瞬时的联系。量子互联网可以将望远镜连接成超高分辨率的阵列、精确地同步时钟、为金融和选举建立安全的通信网络、并使得从任何地方进行量子计算成为可能。它还可能催生出没有人想象过的应用程序。

然而，将这些脆弱的联系放入温暖、嗡嗡作响的世界并非易事。如今存在的大多数传输链只能将纠缠的光子发送到相距仅几十公里的接收器。同时，量子连接是短暂的，它会随着光子的接收和测量而被破坏。研究人员希望可以无限期地维持纠缠，利用光子流在全球范围内编织持久的量子连接。

为此，他们将需要光中继器在量子通信网络中的等价物。光中继器是当今电信网络的组件，可在数千公里的光纤中保持强光信号。几个团队已经展示了量子中继器的关键组成部分，并表示他们在构建扩展网络的道路上进展顺利。“我们已经解决了所有的科学问题，”哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金 （Mikhail Lukin） 说，“我非常乐观地认为，在5到10年内……我们将拥有大陆级别的量子网络原型。”

1969年10月29日晚 （即Woodstock音乐节刚结束2个月，越战正在爆发） ，加利福尼亚大学洛杉矶分校的学生查理·克莱恩 （Charley Kline） 向位于加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福研究所中500多公里外的计算机发送了一条消息。这标志着美国高等研究计划署网络 （the Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET） 开始建立。从那个不稳定的双节点开始——克莱恩的预期信息是“login”，但在系统崩溃之前只有“lo”通过——互联网已经扩展到今天的全球网络。大约 20 年前，物理学家开始猜测相同的基础设施是否可以穿梭于更奇特的东西：量子信息。

1994年是一个激动人心的时刻。一位名叫彼得·肖尔 （Peter Shor） 的数学家设计了一种量子代码，可以破解当时领先的加密算法，这是经典计算机无法做到的。肖尔的算法表明，量子计算机具有使非常小的或冷的物体同时以多种“叠加”状态存在的能力，这可能具有爆炸级的应用——破解密码。他们花费了长达数十年的努力来构建量子计算机。一些研究人员想知道量子互联网是否会极大地增强这些机器的能力。

但是建造一台量子计算机已经足够令人却步了。就像纠缠一样，对纠缠至关重要的叠加状态是脆弱的，在被外界测量或以其他方式干扰时会崩溃。由于该领域专注于通用量子计算机，将这些计算机连接起来的想法大多被规划到遥远的未来。菲格罗亚打趣说，量子互联网变得“就像量子计算机的时髦版本”。

第一个能够传输单个纠缠光子的量子网络已经初具规模。2017年中国的一份报告是最引人注目的：一颗名为“墨子号”的量子卫星将纠缠粒子对发送到相距 1200 公里的地面站 （ Science , 16 June 2017, p. 1110） 。这一成就在华盛顿特区引发了担忧，最终导致了 2018 年《国家量子倡议》法案 （ National Quantum Initiative Act ） 的通过，该法案由当时的总统唐纳德·特朗普 （Donald Trump） 签署成为法律，旨在推动美国的量子技术的进步。美国能源部 （The Department of Energy，DOE） 在 4 月份提出了进一步推进美国量子互联网发展的设想，宣布斥资2500万美元用于量子互联网的研发，以连接国家实验室和大学。“让我们将我们的科学设施连接起来，证明量子网络是有效的，并为该国其他地区提供一个框架，让其继续并扩大规模。”最近才开始领导美国能源部科学办公室的克里斯·法尔 （Chris Fall） 说。

由中国科学技术大学物理学家潘建伟领导的中国小组继续发展其量子网络。根据1月份 Nature 的一篇论文，纠缠粒子现在可以跨越 4600 多公里，使用光纤和非量子中继。其他国家也已经证明了更短距离的量子连接。

量子通信行业和政府开始通过一种称为量子密钥分发 （Quantum Key Distribution，QKD） 的方法，将最初的链接用于安全通信。QKD使双方能够通过对纠缠光子对进行同时测量来共享密钥。量子连接可以防止密钥被篡改或窃听，因为任何干预测量都会破坏纠缠，用密钥加密的信息可以通过普通渠道传递。QKD 被用于确保瑞士选举的安全，并且银行已经对其进行了测试。但许多专家质疑其重要性，因为更简单的加密技术也不受已知攻击的影响，包括Shor算法。此外，QKD不能保证发送和接收节点的安全，这些节点仍然容易受到攻击。

成熟的量子网络的目标更高。“它不仅会传输纠缠粒子”，美国国家标准与技术研究所的物理学家尼尔·齐默曼 （Neil Zimmerman） 说，“它将纠缠作为一种资源进行分配”，使设备能够长时间纠缠，从而共享和利用量子信息。 （ Science , 19 October 2018, 10.1126/science.aam9288）

在量子网络的发展中，科学可能是首先受益的。量子网络的一种可能的用途是超长基线干涉测量。该方法将全球的射电望远镜连接起来，有效地创造了一个强大的单一、巨大的天线，足以对遥远星系中心的黑洞进行成像。将远距离的光学望远镜收集到的光组合起来更具挑战性。但是物理学家提出了一些方案，可以在量子存储器中捕获望远镜收集的光，并使用纠缠光子提取和合并其相位信息，这是超高分辨率的关键。分布式纠缠量子传感器还可以为暗物质和引力波带来更灵敏的探测器网络。

量子网络更实际的应用包括超安全选举和防黑客通信，这使得信息本身，而不仅仅是用于解码它的密钥，能够像在QKD中密钥一样在纠缠节点之间共享。纠缠也可以同步原子钟，并防止在它们之间积累信息的延迟和错误。除此之外，量子网络还可以提供一种连接量子计算机的方法，增强量子计算机的能力。在未来一定的时间里，每个量子计算机可能会被限制在几百个量子比特，但如果纠缠在一起，它们可能能够处理更复杂的计算。

进一步考虑这个想法，一些人还设想了一种云计算的模拟，即所谓的盲量子计算 （Blind quantum computing） 。人们的想法是，有朝一日，最强大的量子计算机将位于国家实验室、大学和公司，就像今天的超级计算机一样。药物和材料设计师或股票交易员可能希望在不泄露程序内容的情况下从远处运行量子算法。理论上，用户可以在与远程量子计算机纠缠在一起的本地设备上对问题进行编码——利用远程计算机的能力，但同时不泄漏该问题的信息。

“作为一名物理学家，我认为盲量子计算非常漂亮。”因斯布鲁克大学的特蕾西·诺瑟普 （Tracy Northup） 说。

研究人员对完全纠缠网络 （fully entangled networks） 进行了早期研究。2015 年，魏纳 （Wehner） 及其同事将光子与氮原子中的电子自旋纠缠在一起，它们被包裹在代尔夫特理工大学校园内相距1.3公里的两颗小钻石中。然后光子被发送到一个中间站，在那里它们相互作用以纠缠钻石节点。该实验创造了“调制”纠缠的距离记录，这意味着研究人员可以确认并使用它，并且这种联系持续了长达几微秒。

然而，更广泛的网络可能需要量子中继器来复制、校正、放大和重新广播几乎每个信号。尽管中继器是经典互联网中相对简单的技术，但量子中继器必须避开“不可克隆”定理——即从本质上讲，量子态不能被复制。

图2：量子网络将由纠缠的光子编织在一起，这意味着它们共享一个量子态。但是这需要量子中继器在遥远的用户之间中继脆弱的光子。

一种流行的量子中继器设计从两个相同的、不同来源的纠缠光子对开始，每对中的一个光子飞向遥远的端点，这些端点可能是量子计算机、传感器或其他中继器。让我们称它们为Alice和Bob，因为量子物理学家习惯这样做。

每对光子的另一半向内拉，朝向中继器的中心。该设备必须捕获先到达的光子，将其信息导入量子存储器 （可能是钻石或原子云） ，纠正在传输过程中积累的错误，并对其进行处理，直到另一个光子到达。然后中继器需要以纠缠遥远的光子双胞胎的方式将两者联系起来。这个过程被称为纠缠交换 （entanglement swapping） ，在遥远的端点Alice和Bob之间创建了一个链接。其他的中继器可以将Alice连接到Carol，将Bob连接到Dave，最终跨越很远的距离。

菲格罗亚将他建造这种设备的动力追溯到他2008年在卡尔加里大学的博士学位论文答辩。这位出生于墨西哥的年轻物理学家描述了他如何将原子与光纠缠在一起之后，一位理论学家问他要如何处理这个装置。“当时我真丢脸，我没有答案。对我来说，这是一个我可以玩的玩具。”菲格罗亚回忆道。“他告诉我：‘量子中继器就是你要做的。’”

受到启发，菲格罗亚在来到石溪之前就在马克思·普朗克量子光学研究所研究了该系统。他很早就确认商用的量子中继器应该在室温下运行——这与大多数量子实验室的实验不同，后者在非常冷的温度下进行，以最大限度地减少可能扰乱脆弱量子态的热振动。

菲格罗亚希望将铷蒸气作为中继器的一个组件，即量子存储器。铷原子是锂和钠的同族元素，对科学家很有吸引力，因为它们的内部量子态可以通过光来设置和控制。在菲格罗亚的实验室中，来自分频晶体的纠缠光子进入每个包含 1 万亿个左右铷原子的塑料细胞 （cells） 。在那里，每个光子的信息被编码为原子之间的叠加，在那里它持续几分之一毫秒——这对于量子实验来说非常好。

菲格罗亚仍在开发第二阶段的中继器：使用计算机控制的激光脉冲来纠正错误并维持云的量子态。然后，额外的激光脉冲会将携带纠缠的光子从存储器发送到测量设备，以与最终用户发生纠缠。

卢金使用不同的介质构建量子中继器：包裹在钻石中的硅原子。传入的光子可以调整硅电子的量子自旋，从而产生潜在的稳定记忆。论文中，他的团队报告捕获和存储量子态的时间超过五分之一秒，远远长于铷存储器。2020年一篇发表在 Nature 上的文章中指出，尽管必须将钻石冷却到绝对零上几分之一度的范围内，但卢金表示制冷器正在变得紧凑和高效， “现在这是我最不担心的。”

在代尔夫特理工大学，魏纳和她的同事也在推动钻石方法，但使用氮原子而不是硅。上个月在 Science 杂志上，该团队报道了在实验室中纠缠三颗钻石，创建了一个微型量子网络。首先，研究人员使用光子纠缠了两种不同的钻石：Alice和Bob。在Bob中，纠缠从氮转移到碳核中的自旋：一种长寿命的量子存储器。然后在Bob的氮原子和第三颗钻石Charlie之间重复纠缠过程。研究人员对 Bob的氮原子和碳核进行联合测量然后将纠缠转移到第三颗钻石，即Alice到Charlie。

实验负责人、代尔夫特理工大学物理学家罗纳德·汉森 （Ronald Hanson） 说，尽管该实验距离比现实世界的量子网络需要的距离短得多、效率也低得多，但可控的纠缠交换证明了量子中继器的工作原理，这是“从未被做过的事情”。

潘建伟的团队还展示了一个部分中继器，其中原子云作为量子存储器。但在2019年发表在 Nature Photonics 上的一项研究中，他的团队展示了一个完全不同的早期原型：通过平行光纤发送大量的纠缠光子，至少有一个可能在旅途中幸存下来。潘建伟说，虽然这可能避免对中继器的需求，但该网络需要能够纠缠至少数百个光子，而他目前的记录是12个光子。使用卫星产生纠缠是潘建伟正在开发的另一项技术，也可以减少对中继器的需求，因为光子在太空中的存在时间比通过光纤长得多。

大多数专家都认为，真正的量子中继器还需要数年时间，最终可能会使用当今量子计算机中常见的技术，例如超导体或俘获离子，而不是钻石或原子云。这样的设备需要捕获几乎所有击中它的光子，并且可能需要至少几百个量子比特的量子计算机来校正和处理信号。从某种意义上说，更好的量子计算机可以推动量子互联网的发展——这反过来又可以增强量子计算。

在物理学家努力打造完美中继器的同时，他们正在将单个大都市区内的站点连接起来，因为它们不需要中继器。在2月发布到 arXiv 的一项研究中，菲格罗亚将他的实验室中两个原子云存储器中的光子通过79公里的商业光纤发送到布鲁克海文国家实验室，在那里光子被合并——代尔夫特理工大学的小组朝着这种端到端类型的纠缠迈出了一步。到明年，他计划在他的大学和他的创业公司Qunnect的纽约办公室之间部署两个量子存储器，并把它们压缩到一个微型冰箱的大小，看看它们是否能提高光子在旅途中幸存下来的几率。

波士顿、洛杉矶和华盛顿特区也正在建设量子网络，两个网络将把伊利诺伊州的阿贡国家实验室和费米国家加速实验室与芝加哥地区的几所大学连接起来。代尔夫特理工大学的研究人员希望很快将他们创纪录的长期纠缠扩展到荷兰海牙的商业电信设施，而其他新兴网络正在欧洲和亚洲不断发展。

这些量子网络最终目标是使用中继器将这些小型网络连接到洲际互联网。但首先，研究人员面临着更简单的挑战，包括建造更好的光子源和探测器、最大限度地减少光纤连接处的损耗，以及在特定量子系统 （例如原子云或钻石） 的固有频率和电信光纤传导的红外波长之间有效地转换光子。“那些现实世界的问题，”齐默曼说，“实际上可能比光纤衰减的问题更大。”

图3：微小钻石中的杂质原子（如该芯片的核心）可以存储和传递量子信息。

有些人怀疑这项技术是否是在炒作。“纠缠是一种非常奇怪、非常特殊的性质”，陆军研究实验室的物理学家库尔特·雅各布斯说， “它不一定适用于所有类型的应用程序。” 例如，对于时钟同步，与经典方法相比量子网络的优势仅体现在纠缠设备数量的平方根上，量子网络需要连接9个设备才能获得经典网络3倍的收益。三倍增益需要连接九个时钟——可能会遇到高于它的价值的问题。“拥有功能性量子网络总是比经典网络更难。”雅各布斯说。

对于这种怀疑，芝加哥大学的物理学家大卫·奥沙洛姆 （David Awschalom） 反驳说，“我们正处于量子技术的晶体管阶段。” 晶体管于1947年被发明出来，几年之后，公司才发现它在收音机、助听器和其他设备中的用途。如今，每一台新电脑、智能手机和 汽车 的芯片中，都蚀刻了数以亿计的晶体管.

未来几代人可能会像我们怀念阿帕网 （ARPANET） 一样回望此刻——作为互联网的纯婴儿版本，阿帕网的巨大潜力当时没有得到认可和商业化。“你可以肯定，我们还没有想到这项技术将做的一些最重要的事情”，奥沙洛姆说：“如果你相信已经做了最重要的事情，那说明你太傲慢了。”

本文经授权转载自微信公众号“集智俱乐部”。

原文地址：https://science.sciencemag.org/content/372/6546/1026

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