量子互联网关键技术与发展研究

　　摘要：量子互联网将量子计算、量子测量与通信相融合，可谓是量子信息技术演进的未来目标。然而，由于受到量子力学规律的限制，例如量子不可克隆、量子纠缠与测量坍塌等，对于网络的网络功能、协议设计以及传输与中继等方面提出了新的挑战。首先介绍了量子互联网的基本概念与发展路径，考虑量子通信特性与经典通信的不同之处，从量子物理设备、网络协议、量子退相干与量子中继等方面对实现量子互联网的关键技术进行总结，并对量子互联网的发展进行了展望与建议。

　　关键词：量子互联网；量子通信；关键技术

　　0引言

　　由于量子计算在计算性能上的巨大效率优势以及对人工智能、军事和商业等领域潜在的推动与影响作用，量子技术的发展已经成为目前国际技术竞争的重要领地[1]。2020年2月7日，美国白宫发布《美国量子网络战略构想》[2]，确立了美国量子网络的发展目标与技术发展计划，使得这一概念引起市场和国内外研究界的广泛关注。量子信息网络，也称量子互联网，基于量子通信技术产生、传输和使用量子态资源，并通过量子链路与经典链路的协同来实现量子信息处理系统或节点之间的互连，从而进一步提高量子信息传输和处理能力，并可扩大量子比特操作的数量[3]。通过采用分布式的范式，随着互连的量子设备数目的增多，量子互联网可以被看作由大量量子比特构成的虚拟量子计算机，实现计算能力的指数级加速[4]。然而，量子互联网的实现并非易事，它受到经典通信系统所没有的量子力学特性的影响与限制，包括不可克隆、测量坍塌、量子纠缠原理等。例如，经典网络可以完整复制和放大信号的假设在量子网络中由于不可克隆原理而并不成立。本文在此背景下，首先对量子互联网的基本概念与发展路径进行介绍，对实现量子互联的关键技术进行总结。最后，探讨了量子互联网的实现所面临的挑战并给出了相关发展建议。

　　1量子互联网基本概念与发展现状

　　量子互联网与经典互联网所涉及的概念见表1。传统互联网利用经典通信技术来遵循经典物理学原理传递经典比特，目前发展最为成熟的量子密钥分发网络，包括量子密钥分发（quantumkeydistribution，QKD）、量子认证（quantumauthority）和量子密集编码（quantumdensecoding，QDC）等[5]则是利用量子态作为信息比特的载体，来加密经典信息或量子比特。在Wehner等人[6]发表在science的论文中所描述量子互联网6个发展阶段中，量子密码技术属于第0阶段，它所描述的并非真正的量子网络，而是用户能够创建量子密钥并在相距遥远的通信双方之间进行密钥的分发，利用密钥的安全性来保证通信的保密性。相反，量子互联网丰富和扩展了量子通信范式以在量子信息设备之间进行量子信息的传输。

　　2量子互联网关键技术

　　考虑量子通信的特性与经典通信有很大不同，量子互联网的设计与实现需要量子物理设备、网络协议、量子退相干与量子中继等方面的关键技术。

　　（1）量子物理设备

　　为了实现量子互联网，所需的量子物理设备原则上至少要包括纠缠制备、量子节点、量子测量设备、量子存储设备以及传输链路等，如图1所示。

　　量子节点是量子互联网进行连接的各种设备实体，它是构成量子互联网的最关键的组成。为了使得量子互联网充分发挥潜力，量子节点需要具备一定的功能与能力，借助著名理论物理学家DiVincenzo提出的条件，包括将量子比特初始化能力、足够的量子相干时间、量子比特表征能力、特定量子比特的测量能力以及一定的量子比特纠错能力等[12]。量子纠缠制备，负责量子链路之间量子纠缠态的生成和分发，通过执行贝尔态测量（Bellstatemeasurement，BSM）等方式来实现量子信息处理任务，例如量子隐形传态和量子纠缠交换（entanglementswapping）。量子纠缠制备可以是单独的物理实体，也可以是量子节点的部分组件。除此以外，量子测量设备与量子存储也是量子互联网不可或缺的组成部分，其中量子测量设备负责为量子节点针对具体的传输任务生成纠缠态，量子存储设备负责存储量子态以及量子信息的应答等。

　　（2）网络功能与协议设计

　　由于量子通信的物理本质与经典通信完全不同，因此量子互联网的实现需要从头构建相应的网络协议堆栈。实际上，在量子互联网络中需要特殊的网络范式来利用量子力学的特性，这可能导致量子网络与经典网络之间的一一映射变得不可行。其中，不可克隆定理和量子测量坍塌造成的无法安全地读取与复制量子信息，使得量子互联网中网络功能的设计更加困难和复杂化。在经典计算与通信网络中，可以实现在任意时间从存储单元中对数据进行复制、错误检验和校正等。而在量子力学中，对于量子比特的观测会引起量子坍塌，使得量子从不确定的叠加态坍塌至确定态。一个量子比特虽然能够同时表示|0〉和|1〉两种基态，然而若对|ψ〉进行测量，从一次测量中只能获得关于粒子基态的一个比特信息。因此，无法使用经典网络中的方法来对量子互联网络进行数据的错误检验和校正等。将多个物理量子比特进行编码来应对量子系统的噪声与退相干问题，是未来量子互联网的实现基础。量子不可克隆定理导致量子信息无法被直接传输到多个目的地。经典网络中链路层的媒体接入控制协议和路由协议无法在量子互联网络中直接使用，已经有研究表明[13]，基于Dijkstra或Bellman-Ford的经典路由算法无法在基于量子纠缠的链路中使用。IETF标准草案[14]对中间系统—中间系统（intermediatesystemtointermediatesystem，IS-IS）和开放式最短路径优先（openshortestpathfirst，OSPF）协议进行了添加，以便用于量子网络中量子对的创建和纠缠处理。同样的，基于数据包重传来应对数据报文丢失的网络层TCP也无法在量子互联网中应用。量子互联网需要专门的网络功能和协议设计，需要从体系架构层面来应对量子力学的特性。

　　3未来展望与发展建议

　　量子互联网的发展过程需要解决计算与通信等一系列的技术挑战。我国的潘建伟指出量子网络的发展将分为量子密钥网络、量子存储网络与量子计算网络3个阶段。文献[6]提出的6个阶段的量子互联网发展演进中，目前量子的互联网发展仍停留在初级阶段。一方面，量子互联网的设计与实现与经典网络有很大不同，量子互联网的研究与发展需要考虑支持通信信息技术在量子领域的改进与创新。另一方面，量子互联网的实现依赖于量子设备与量子计算等技术的共同发展。量子互联网的发展与实际部署需要考虑以下几个方面的挑战。

　　（1）当前量子计算与量子制备的发展量子互联网的最终实现需要通用量子计算能力作为前提，然而现阶段量子计算的实现在可扩展性、操控时间与保真度等方面依然存在较大局限。量子制备与量子计算机的制造与维护现阶段需要高昂的费用来支撑，相关技术与发展目前集中在少数企业与组织，为满足量子计算与量子互联的需求与应用探索，量子计算与通信技术的应用将最可能集中在少数具备量子操控能力的数据中心以云服务的形式提供服务。到2024年，预计一半以上的量子计算市场将以量子云服务的方式来呈现[24]。而短期内，量子计算市场对于通用与分布式量子计算的需求较小，因此量子互联网的发展与部署将会是一个较为漫长的过程。

　　（2）发展路径多样化与统一接口目前量子纠缠分发与传输相关技术实现的路径呈现多样化，量子互联的实现需要考虑不同技术之间的兼容性与统一接口。量子比特的传输需要飞行量子位作为纠缠的载体，后者一般利用光子作为衬底。实现物理量子比特的技术目前已经出现了超导、量子阱、硅量子点、光量子、拓扑量子比特等多种物理实现方案[25]，因此物理量子比特与飞行量子位之间需要可以独立于不同制备技术以及不同量子传输信道的统一接口。

　　（3）量子通信与经典通信技术与资源的整合量子互联网的发展无法完全独立或取代经典互联网，未来量子互联网的发展可能是利用现有通信资源与基础设施来进行量子通信与经典互联网的融合，例如利用现有的光网络同时进行经典信息与量子信息的传输。然而，能否灵活地进行经典通信技术、基础设施资源与量子技术的整合，仍然存在很多开放性的问题，其解决方案需要多学科与领域的合力，包括通信理论、网络工程与量子力学等。

　　由于我国量子信息技术及其标准化发展起步较晚，尽管在量子保密通信与隐形传态等技术上有很大的竞争优势，但在标准建设、硬件发展、生态建设上和国际最先进水平仍有一定差距。因此，对于发展量子互联网技术提出以下建议。

　　·明确概念，加强产学研合力发展量子互联网是未来量子信息通信发展的最终目标，也是分布式量子计算实现的关键支撑。但目前对于量子互联网的概念和关键技术尚未达成共识。明确量子互联网的概念和基本发展路径，将有利于多方达成共识，有助于将相关投入尽快转化为技术与产业成果。同时，我国应推动“产学研”三方之间的合作，量子互联网的优势最终需要落地实践来证明，而目前量子互联网的前沿成果较大部分集中在高校与科研机构，因此通过加强科研机构与相关企业的技术联系，发展实践与验证渠道，有助于推动量子互联网技术的落地和多个领域的全面健康发展。

　　·加快底层技术研究与应用量子信息技术的发展需要量子制备技术、量子处理器与量子计算机等底座技术与物理系统的支撑，当前我国在量子计算机与处理器等领域距离国际先进水平仍有较大差距，且受目前局势的影响，技术路线较为受限。因此需要加大对于基础量子物理系统与设备的研发，把握量子信息技术与量子计算发展的核心能力，确保关键技术的自主研发性。在投入基础研究的同时，加快技术应用与落点验证，将理论技术真正转化为应用优势与产业效益，从而获得量子信息技术与量子计算的可持续发展。

　　重视政策推动与标准建设目前，量子信息技术发展迅速且方案多样化，国际上已经有相关标准组织开始对量子互联网进行专门研究与标准化工作，而我国尚未开展专门针对量子互联网的标准规范化工作。通过对量子互联网的概念、功能体系、发展路线、关键功能技术等进行统一规范，可以对量子互联网的发展起到引导作用。通过建立完善的评测体系，也可带动量子信息技术的商业化应用推广与产业健康发展。

　　参考文献：

　　[1]信息通信研究院.量子信息技术发展与应用研究报告[R].2019.CAICT.Researchreportondevelopmentandapplicationofquantuminformationtechnology[R].2019.

　　[2]美国白宫网站.美国量子网络战略构想[R].2020.WhiteHousewebsite.AstrategicvisionforAmericasquantumnetworks[R].2020.

　　[3]CACCIAPUOTIAS,CALEFFIM,TAFURIF,etal.QuantumInternet:networkingchallengesindistributedquantumcomputing[J].IEEENetwork,2020,34(1):137-143.

　　刘姿杉，赖俊森，赵文玉

《量子互联网关键技术与发展研究》

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