摘要：量子互聯(lián)網(wǎng)將量子計(jì)算、量子測量與通信相融合，可謂是量子信息技術(shù)演進(jìn)的未來目標(biāo)。然而，由于受到量子力學(xué)規(guī)律的限制，例如量子不可克隆、量子糾纏與測量坍塌等，對于網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)功能、協(xié)議設(shè)計(jì)以及傳輸與中繼等方面提出了新的挑戰(zhàn)。首先介紹了量子互聯(lián)網(wǎng)的基本概念與發(fā)展路徑，考慮量子通信特性與經(jīng)典通信的不同之處，從量子物理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、量子退相干與量子中繼等方面對實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行了展望與建議。

　　關(guān)鍵詞：量子互聯(lián)網(wǎng)；量子通信；關(guān)鍵技術(shù)

　　0引言

　　由于量子計(jì)算在計(jì)算性能上的巨大效率優(yōu)勢以及對人工智能、軍事和商業(yè)等領(lǐng)域潛在的推動與影響作用，量子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為目前國際技術(shù)競爭的重要領(lǐng)地[1]。2020年2月7日，美國白宮發(fā)布《美國量子網(wǎng)絡(luò)倡議構(gòu)想》[2]，確立了美國量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)與技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，使得這一概念引起市場和國內(nèi)外研究界的廣泛關(guān)注。量子信息網(wǎng)絡(luò)，也稱量子互聯(lián)網(wǎng)，基于量子通信技術(shù)產(chǎn)生、傳輸和使用量子態(tài)資源，并通過量子鏈路與經(jīng)典鏈路的協(xié)同來實(shí)現(xiàn)量子信息處理系統(tǒng)或節(jié)點(diǎn)之間的互連，從而進(jìn)一步提高量子信息傳輸和處理能力，并可擴(kuò)大量子比特操作的數(shù)量[3]。通過采用分布式的范式，隨著互連的量子設(shè)備數(shù)目的增多，量子互聯(lián)網(wǎng)可以被看作由大量量子比特構(gòu)成的虛擬量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的指數(shù)級加速[4]。然而，量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)并非易事，它受到經(jīng)典通信系統(tǒng)所沒有的量子力學(xué)特性的影響與限制，包括不可克隆、測量坍塌、量子糾纏原理等。例如，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)可以完整復(fù)制和放大信號的假設(shè)在量子網(wǎng)絡(luò)中由于不可克隆原理而并不成立。本文在此背景下，首先對量子互聯(lián)網(wǎng)的基本概念與發(fā)展路徑進(jìn)行介紹，對實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。最后，探討了量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)所面臨的挑戰(zhàn)并給出了相關(guān)發(fā)展建議。

　　1量子互聯(lián)網(wǎng)基本概念與發(fā)展現(xiàn)狀

　　量子互聯(lián)網(wǎng)與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)所涉及的概念見表1。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)利用經(jīng)典通信技術(shù)來遵循經(jīng)典物理學(xué)原理傳遞經(jīng)典比特，目前發(fā)展最為成熟的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，包括量子密鑰分發(fā)（quantumkeydistribution，QKD）、量子認(rèn)證（quantumauthority）和量子密集編碼（quantumdensecoding，QDC）等[5]則是利用量子態(tài)作為信息比特的載體，來加密經(jīng)典信息或量子比特。在Wehner等人[6]發(fā)表在science的論文中所描述量子互聯(lián)網(wǎng)6個(gè)發(fā)展階段中，量子密碼技術(shù)屬于第0階段，它所描述的并非真正的量子網(wǎng)絡(luò)，而是用戶能夠創(chuàng)建量子密鑰并在相距遙遠(yuǎn)的通信雙方之間進(jìn)行密鑰的分發(fā)，利用密鑰的安全性來保證通信的保密性。相反，量子互聯(lián)網(wǎng)豐富和擴(kuò)展了量子通信范式以在量子信息設(shè)備之間進(jìn)行量子信息的傳輸。

　　2量子互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

　　考慮量子通信的特性與經(jīng)典通信有很大不同，量子互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)需要量子物理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、量子退相干與量子中繼等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

　　（1）量子物理設(shè)備

　　為了實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)，所需的量子物理設(shè)備原則上至少要包括糾纏制備、量子節(jié)點(diǎn)、量子測量設(shè)備、量子存儲設(shè)備以及傳輸鏈路等，如圖1所示。

　　量子節(jié)點(diǎn)是量子互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接的各種設(shè)備實(shí)體，它是構(gòu)成量子互聯(lián)網(wǎng)的最關(guān)鍵的組成。為了使得量子互聯(lián)網(wǎng)充分發(fā)揮潛力，量子節(jié)點(diǎn)需要具備一定的功能與能力，借助著名理論物理學(xué)家DiVincenzo提出的條件，包括將量子比特初始化能力、足夠的量子相干時(shí)間、量子比特表征能力、特定量子比特的測量能力以及一定的量子比特糾錯(cuò)能力等[12]。量子糾纏制備，負(fù)責(zé)量子鏈路之間量子糾纏態(tài)的生成和分發(fā)，通過執(zhí)行貝爾態(tài)測量（Bellstatemeasurement，BSM）等方式來實(shí)現(xiàn)量子信息處理任務(wù)，例如量子隱形傳態(tài)和量子糾纏交換（entanglementswapping）。量子糾纏制備可以是單獨(dú)的物理實(shí)體，也可以是量子節(jié)點(diǎn)的部分組件。除此以外，量子測量設(shè)備與量子存儲也是量子互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的組成部分，其中量子測量設(shè)備負(fù)責(zé)為量子節(jié)點(diǎn)針對具體的傳輸任務(wù)生成糾纏態(tài)，量子存儲設(shè)備負(fù)責(zé)存儲量子態(tài)以及量子信息的應(yīng)答等。

　　（2）網(wǎng)絡(luò)功能與協(xié)議設(shè)計(jì)

　　由于量子通信的物理本質(zhì)與經(jīng)典通信完全不同，因此量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要從頭構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧。實(shí)際上，在量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中需要特殊的網(wǎng)絡(luò)范式來利用量子力學(xué)的特性，這可能導(dǎo)致量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)之間的一一映射變得不可行。其中，不可克隆定理和量子測量坍塌造成的無法安全地讀取與復(fù)制量子信息，使得量子互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)計(jì)更加困難和復(fù)雜化。在經(jīng)典計(jì)算與通信網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)間從存儲單元中對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制、錯(cuò)誤檢驗(yàn)和校正等。而在量子力學(xué)中，對于量子比特的觀測會引起量子坍塌，使得量子從不確定的疊加態(tài)坍塌至確定態(tài)。一個(gè)量子比特雖然能夠同時(shí)表示|0〉和|1〉兩種基態(tài)，然而若對|ψ〉進(jìn)行測量，從一次測量中只能獲得關(guān)于粒子基態(tài)的一個(gè)比特信息。因此，無法使用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的方法來對量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤檢驗(yàn)和校正等。將多個(gè)物理量子比特進(jìn)行編碼來應(yīng)對量子系統(tǒng)的噪聲與退相干問題，是未來量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。量子不可克隆定理導(dǎo)致量子信息無法被直接傳輸?shù)蕉鄠€(gè)目的地。經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中鏈路層的媒體接入控制協(xié)議和路由協(xié)議無法在量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中直接使用，已經(jīng)有研究表明[13]，基于Dijkstra或Bellman-Ford的經(jīng)典路由算法無法在基于量子糾纏的鏈路中使用。IETF標(biāo)準(zhǔn)草案[14]對中間系統(tǒng)—中間系統(tǒng)（intermediatesystemtointermediatesystem，IS-IS）和開放式最短路徑優(yōu)先（openshortestpathfirst，OSPF）協(xié)議進(jìn)行了添加，以便用于量子網(wǎng)絡(luò)中量子對的創(chuàng)建和糾纏處理。同樣的，基于數(shù)據(jù)包重傳來應(yīng)對數(shù)據(jù)報(bào)文丟失的網(wǎng)絡(luò)層TCP也無法在量子互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用。量子互聯(lián)網(wǎng)需要專門的網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議設(shè)計(jì)，需要從體系架構(gòu)層面來應(yīng)對量子力學(xué)的特性。

　　3未來展望與發(fā)展建議

　　量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程需要解決計(jì)算與通信等一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)。我國的潘建偉指出量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將分為量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子存儲網(wǎng)絡(luò)與量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)3個(gè)階段。文獻(xiàn)[6]提出的6個(gè)階段的量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展演進(jìn)中，目前量子的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展仍停留在初級階段。一方面，量子互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有很大不同，量子互聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展需要考慮支持通信信息技術(shù)在量子領(lǐng)域的改進(jìn)與創(chuàng)新。另一方面，量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)依賴于量子設(shè)備與量子計(jì)算等技術(shù)的共同發(fā)展。量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與實(shí)際部署需要考慮以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

　　（1）當(dāng)前量子計(jì)算與量子制備的發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)的最終實(shí)現(xiàn)需要通用量子計(jì)算能力作為前提，然而現(xiàn)階段量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)在可擴(kuò)展性、操控時(shí)間與保真度等方面依然存在較大局限。量子制備與量子計(jì)算機(jī)的制造與維護(hù)現(xiàn)階段需要高昂的費(fèi)用來支撐，相關(guān)技術(shù)與發(fā)展目前集中在少數(shù)企業(yè)與組織，為滿足量子計(jì)算與量子互聯(lián)的需求與應(yīng)用探索，量子計(jì)算與通信技術(shù)的應(yīng)用將最可能集中在少數(shù)具備量子操控能力的數(shù)據(jù)中心以云服務(wù)的形式提供服務(wù)。到2024年，預(yù)計(jì)一半以上的量子計(jì)算市場將以量子云服務(wù)的方式來呈現(xiàn)[24]。而短期內(nèi)，量子計(jì)算市場對于通用與分布式量子計(jì)算的需求較小，因此量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與部署將會是一個(gè)較為漫長的過程。

　　（2）發(fā)展路徑多樣化與統(tǒng)一接口目前量子糾纏分發(fā)與傳輸相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的路徑呈現(xiàn)多樣化，量子互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)需要考慮不同技術(shù)之間的兼容性與統(tǒng)一接口。量子比特的傳輸需要飛行量子位作為糾纏的載體，后者一般利用光子作為襯底。實(shí)現(xiàn)物理量子比特的技術(shù)目前已經(jīng)出現(xiàn)了超導(dǎo)、量子阱、硅量子點(diǎn)、光量子、拓?fù)淞孔颖忍氐榷喾N物理實(shí)現(xiàn)方案[25]，因此物理量子比特與飛行量子位之間需要可以獨(dú)立于不同制備技術(shù)以及不同量子傳輸信道的統(tǒng)一接口。

　　（3）量子通信與經(jīng)典通信技術(shù)與資源的整合量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展無法完全獨(dú)立或取代經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)，未來量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可能是利用現(xiàn)有通信資源與基礎(chǔ)設(shè)施來進(jìn)行量子通信與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的融合，例如利用現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)同時(shí)進(jìn)行經(jīng)典信息與量子信息的傳輸。然而，能否靈活地進(jìn)行經(jīng)典通信技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施資源與量子技術(shù)的整合，仍然存在很多開放性的問題，其解決方案需要多學(xué)科與領(lǐng)域的合力，包括通信理論、網(wǎng)絡(luò)工程與量子力學(xué)等。

　　由于我國量子信息技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展起步較晚，盡管在量子保密通信與隱形傳態(tài)等技術(shù)上有很大的競爭優(yōu)勢，但在標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、硬件發(fā)展、生態(tài)建設(shè)上和國際最先進(jìn)水平仍有一定差距。因此，對于發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出以下建議。

　　·明確概念，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合力發(fā)展量子互聯(lián)網(wǎng)是未來量子信息通信發(fā)展的最終目標(biāo)，也是分布式量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵支撐。但目前對于量子互聯(lián)網(wǎng)的概念和關(guān)鍵技術(shù)尚未達(dá)成共識。明確量子互聯(lián)網(wǎng)的概念和基本發(fā)展路徑，將有利于多方達(dá)成共識，有助于將相關(guān)投入盡快轉(zhuǎn)化為技術(shù)與產(chǎn)業(yè)成果。同時(shí)，我國應(yīng)推動“產(chǎn)學(xué)研”三方之間的合作，量子互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢最終需要落地實(shí)踐來證明，而目前量子互聯(lián)網(wǎng)的前沿成果較大部分集中在高校與科研機(jī)構(gòu)，因此通過加強(qiáng)科研機(jī)構(gòu)與相關(guān)企業(yè)的技術(shù)聯(lián)系，發(fā)展實(shí)踐與驗(yàn)證渠道，有助于推動量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的落地和多個(gè)領(lǐng)域的全面健康發(fā)展。

　　·加快底層技術(shù)研究與應(yīng)用量子信息技術(shù)的發(fā)展需要量子制備技術(shù)、量子處理器與量子計(jì)算機(jī)等底座技術(shù)與物理系統(tǒng)的支撐，當(dāng)前我國在量子計(jì)算機(jī)與處理器等領(lǐng)域距離國際先進(jìn)水平仍有較大差距，且受目前局勢的影響，技術(shù)路線較為受限。因此需要加大對于基礎(chǔ)量子物理系統(tǒng)與設(shè)備的研發(fā)，把握量子信息技術(shù)與量子計(jì)算發(fā)展的核心能力，確保關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)性。在投入基礎(chǔ)研究的同時(shí)，加快技術(shù)應(yīng)用與落點(diǎn)驗(yàn)證，將理論技術(shù)真正轉(zhuǎn)化為應(yīng)用優(yōu)勢與產(chǎn)業(yè)效益，從而獲得量子信息技術(shù)與量子計(jì)算的可持續(xù)發(fā)展。

　　重視政策推動與標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)目前，量子信息技術(shù)發(fā)展迅速且方案多樣化，國際上已經(jīng)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織開始對量子互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行專門研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作，而我國尚未開展專門針對量子互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化工作。通過對量子互聯(lián)網(wǎng)的概念、功能體系、發(fā)展路線、關(guān)鍵功能技術(shù)等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，可以對量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起到引導(dǎo)作用。通過建立完善的評測體系，也可帶動量子信息技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用推廣與產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

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　　劉姿杉，賴俊森，趙文玉