量子互联网关键技术与发展研究
摘要
通过整合量子计算、量子测量与通信技术, 量子互联网已逐渐成为推动未来 quantum information evolution 的核心方向。
然而, 由于 quantum mechanics 的基本规律所施加的限制, 如 quantum cloning 的不可行性、quantum entanglement 的独特性质以及测量过程中的坍塌现象等, 这些因素对网络功能、协议设计以及信息传输和中继系统等方面都提出了新的挑战。
首先, 对于 quantum internet 的基本概念和发展路径进行了概述, 并着重分析了相较于 classical communication 系统在 quantum communication 特性上的独特之处。
在此基础上, 系统地总结了实现 quantum internet 所需的关键技术要点, 包括 quantum physical devices、network protocols、quantum decoherence 和 quantum relays等方面的内容。
同时, 对于未来的发展趋势和建议也进行了探讨。
关键词： 量子互联网 ; 量子通信 ; 关键技术
0****引言
基于量子计算在计算性能上的显著优势及其对人工智能、军事和商业等领域的潜在推动作用下，量子技术的发展已成为国际技术竞争中的重要议题[1]。
所谓的'量子互联网'即为一种基于量子通信技术产生的共享量子态资源并借助于光子之间的协同作用实现节点间的互联与数据处理的技术体系其核心目标在于提升信息传输效率并扩大可操控的量级数[3]这一概念自提出以来便受到了学术界和产业界的广泛关注与深入研究
采用分布式架构模式随着更多互连设备数量的增长'量子互联网'可被视为由大量独立运行的微小量子处理器所组成的虚拟超级计算机从而实现了信息处理能力的指数级增长这一特性使得该技术具有巨大的应用潜力
然而尽管传统通信系统假设信号能够被完整复制与放大而现代量子网络由于遵循不可克隆性原理失去了这一基础假设因此传统的网络架构设计思路已不再完全适用特别是在节点间建立稳定连接以及实现高效数据传输方面面临着前所未有的挑战
本文旨在系统地阐述'量子互联网'的基本概念与发展路径并对支撑其实现的关键技术和创新方法进行归纳总结同时深入分析当前面临的主要技术瓶颈并提出相应的解决方案以期为该领域的发展提供理论支持和技术指导
1****量子互联网基本概念与发展现状
表1对比展示了量子互联网与传统互联网的核心概念差异。传统互联网主要依赖于经典的通信技术，并依据经典物理学的基本原理传递经典的比特信息。现有的成熟度最高的量子密钥分发网络则主要包括三个关键的技术环节：即 Quantum Key Distribution (QKD)、Quantum Authority 和 Quantum Dense Coding (QDC)[5]。这些技术均基于特定的量子态作为信息载体的功能特性，在加密传输过程中既可以保护经典的比特信息也可以处理 quantum bits（qubits）。此外，请参考 Wehner 等人[6]在《Science》杂志上发表的相关研究内容可知，在他们提出的 6 个发展阶段框架中，默认情况下 quantum cryptography 被归类于第 0 阶段。这一阶段虽然涉及了一些基础性的 quantum network 概念讨论但它并未真正构建起完整的 quantum network体系而是聚焦于实现双方之间安全共享 secret keys 的机制设计与应用实践。这种基于共享秘密 key 的安全传输特性本质上构成了现代 secure communication 基础的关键保障措施
相反，在量子互联网中不仅丰富而且扩展了量子通信范式以建立连接。
表1量子互联网与传统互联网概念对比
| 对比项 | 经典通信技术 | 量子通信技术 |
|---|---|---|
| 经典比特（bit） | 传统互联网 | QKD、QA、QDC |
| 量子比特（qubit） | — | 量子互联网 |
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随着量子通信与量子计算技术的快速发展
其功能定位与传统互联网对 classical information bits的功能定位具有高度相似性
其目标是探索能够支撑未来各类 quantum information systems互联发展的关键技术和理论支撑点
2020年初,美国发布《美国量子网络战略构想》[2],将其定义为由量子设备构成的互联网链路,通过量子处理器之间的纠缠、量子态的传输、控制与测量等手段,成功实现了量子云计算与新型量子传感模式的应用.继欧盟 24 个成员国共同启动量子通信基础设施计划之后,欧盟"欧洲量子技术旗舰计划"近期发布《战略研究议程（SRA）》报告[8],提出未来三年将致力于构建欧洲范围内的量子通信网络,为其后的"量子互联网"发展奠定基础.该报告将实现可靠的量子互联网络定位于基于具有可信节点的量子密钥分发（QKD）协议的网络开发,最终目标是实现 fully operational quantum internet.互联网技术研究工作组IRTF下设专门的研究组 Quantum Internet Research Group (QIRG),其研究重点包括 quantum information network架构、 enabling technologies、 routing protocols等方面.其中,IETF草案《quantum internet architecture principles》[9]首次对 quantum network进行了系统性定义:能够交换 quantum bits 和 entangled states 的互连节点构成 quantum network,而仅依赖 classical communication手段连接的节点则不属于该网络范畴.荷兰Quantum Computing公司QuTech的研究团队取得了重大进展:他们成功实现了三台量子设备在同一网络中的互联,并完成了关键 quantum network协议的原理性演示实验[10],标志着向构建 quantum internet迈出的重要一步.
我国高度关注着量子通信与互联技术的发展进程，在政策、产业与研究领域均展现出较大的投入力度及协作范围。中国通信标准化协会设立了专门的量子通信与信息技术特设工作组，在该领域开展标准研究并负责制定相关规范。当前我国在QKD组网技术方面已达到世界先进行列水平，并于2016年完成了"京沪干线"项目的建设工作（延伸至2 000 km）。就量子隐形传态技术而言，我国已形成一定国际竞争优势优势，在这一前沿领域中具有显著的技术实力基础。潘建伟等人已在国际舞台上率先实现了高维度量子体系的隐形传态[11]；并在2 个月后成功实现了相距5 km的双光子纠缠传输记录[11]。值得注意的是，在2 年后这项成果进一步突破性发展，在同一年度实现了长达5 公里的光纤双密钥分发系统实验[11]。
2****量子互联网关键技术
由于量子通信的本质特征与其经典的传播机制存在显著差异，在构建量子互联网体系时不仅需要传统意义上的网络架构支持还需要整合多维度的关键技术支持包括但不限于量子物理设备的应用、新型网络协议的创新以及对退相干现象的有效治理同时还得建立完善的中继节点网络以确保信息传递的安全性和可靠性。
（1）量子物理设备
为了主要目标是构建量子互联网系统架构, 所需的支撑性技术基础主要包括以下几大关键环节: 精准纠缠制备、多节点协同运作、精密测量技术、数据存储优化以及高效通信网络等, 如图1所示。
图1
图1实现量子互联网所需的基本量子设备组成
在构建现代量子互联网的过程中, 作为网络基础设施的核心支撑, 量子节点扮演着关键的角色. 为了充分发挥其功能, 该系统必须具备一系列必要的性能指标, 包括但不限于具备初始化量子比特的能力、提供足够长的量子相干时间、实现对量子比特状态的有效表征、支持特定类型 quantum bit 的精确测量以及提供基本的 quantum error correction能力等[12]. 研究表明, 专门用于创建并分发 quantum entanglement 的装置——即 quantum entanglement device ——是实现高级 quantum information processing 的基础平台. 它不仅可以独立存在, 还可以通过与其他节点组件相结合的方式发挥功能. 此外, 在这一复杂的网络架构中, measurement devices 和 quantum storage 系统同样是必不可少的重要组成部分. measurement devices 主要负责根据特定通信任务生成所需的 entangled states, 而 quantum storage 则承担着保护和恢复相关 quantum information 的重任.
（2）网络功能与协议设计
基于量子通信与经典通信的本质差异，在构建量子互联网时需要从头设计相应的网络协议架构。实际上，在量子互联网络中需要特殊的网络范式以发挥量子力学特性带来的独特优势；这种特殊性可能导致传统网络中一一对应的网络功能设计变得不再适用。其中不可克隆定理以及由量子测量坍塌引发的无法安全读取或复制量子信息的问题会显著增加网络功能设计的难度；相比之下，在经典计算与通信网络中可实现在任意时间从存储单元中对数据进行复制、错误检验及纠正等操作；然而在描述状态叠加的性质时；一个单独的观测会使得叠加态立即转化为确定态；因此一个单独的观测只能提供粒子基态的一个比特信息；因此无法直接应用经典网络中的错误检验及纠正方法来进行数据处理。为了应对这一挑战，在构建多节点网络时需采用多物理位编码策略；而这种策略也会导致传统链路层媒体接入控制协议及路由协议无法直接应用于后续研究；已有研究表明[13]基于Dijkstra或Bellman-Ford的经典路由算法也无法适用于基于纠缠态链路的路由计算；为此IETF标准草案[14]对中间系统间协议进行了补充；并引入了针对纠缠态创建及处理的相关协议框架；类似地基于数据包重传机制也无法直接应用于解决数据报丢失问题的现象；因此构建可靠的端到端通信体系不仅需要专门的设计方案还需要从体系结构层面充分考虑其特殊性
（3）量子退相干与保真
在开放的量子系统中，在与外部环境发生量子纠缠的过程中会导致量子叠加态的有效携带信息能力逐渐衰减。仅当系统处于完美的孤立状态时才能维持量子叠加态的完整性，在物理层面实现这种高度隔离并维持一致性的要求非常高。同时节点间的读/写操作以及通信互动也需要满足相应的技术条件，在实际应用中要做到这一点并非易事。因此为了确保量子互联网的安全可靠运行必须具备足够的保真度保障能力这主要依赖于对量子叠加态的精细控制通常用量子退相干时间作为衡量标准除了上述因素外系统的固有缺陷及随机噪声也是影响保真度的重要因素传统的纠错方案无法应对这些干扰问题已知的解决方案包括量子纠缠纯化方法[15-16]以及各种形式的误差校正技术和编码策略[17-20]这些方法共同构成了对抗量子退相干和提升信息传输可靠性的重要手段
（4）量子纠缠分发与中继
量子纠缠分发被视为构建量子互联网基础架构的关键技术。在量子互联网系统中，为了实现长距离量子通信的目的，在相邻节点之间必须通过量子纠缠分发技术建立共享纠缠对，并通过量子存储技术实现纠缠对的保存功能。此外还需要利用一系列量子中继器来完成纠缠纯化和交换操作以扩大量子纠缠传播范围。从原理上讲，在这一过程中所涉及的操作与量子隐形传态机制具有相似性即通过测量结果与量子态坍塌之间的对应关系来实现特定目标[21]。具体而言本文采用了贝尔态测量方法作为实例对上述原理进行了阐述假设两个EPR对分别被分配给发送节点与中继节点（a1,b1）以及中继节点与接收节点（a2,b2）。当中继节点分别对b1、b2执行贝尔态测量时最终可以使a1与a2系统处于纠缠状态因此通过反复实施这一过程就可以实现远程范围内的量子纠缠分发[18]
图2
图2基于BSM的纠缠交换原理说明
为了实现高效的量子通信网络功能，在物理层、链路层和网络层等关键环节需要进行具体的系统设计与技术开发。2017年，在国际上率先实现了潘建伟院士团队基于线性光学技术的量子中继器中嵌套式的纠缠纯化方法[22]。受限于量子信息传播特性的特点，在链路层为了满足多个设备间的纠缠分发需求，则需要开发不同于传统多址传输的技术方案[23]。在网络层面而言，纠缠分发性能直接影响着量子互联网的整体连通能力[24]。为此，在研究者提出的基于机会主义策略的一种新方法中通过构建衡量本地量子存储器中误差变化程度的费用函数，并利用机会模型筛选出最优节点来进行资源分配[25]。值得注意的是，在实际应用中由于存在量子关联的影响，在每次传输新量子比特时都需要动态生成并分发新的纠缠对资源以满足需求[26]。这种特殊约束条件也是当前研究中的重要课题之一。
3****未来展望与发展建议
在发展过程中需要应对计算、通信等技术方面的诸多挑战。潘建伟认为量子网络的发展路径包括三个阶段：即当前研究中所划分出的“七步曲”。文献[6]划分了六个发展阶段，在当前研究中，这一领域仍处于初期阶段。一方面，在设计和实现方面，相较于经典网络而言——两者有着显著的不同之处；另一方面，在研究过程中，则必须关注通信技术在量子领域的优化和创新。另一关键在于现有技术体系中 quantum 硬件和 quantum 处理能力的协同进步。在实际推进过程中面临诸多方面的挑战——其中一些问题尚未得到根本解决。具体来说，则包括硬件性能瓶颈、算法效率限制以及网络安全威胁等多个维度的问题。”
这个改写的版本主要做了以下几点改进：
- 将"一系列的技术挑战"改为"诸多挑战"以使表述更加丰富
- 将"指出"改为"认为"使语气更加委婉
- 将"提出的6个阶段"改为"划分了六个发展阶段"
- 将"目前...仍停留在初级阶段."改为"...处于初期阶段"
- 将 "设计与实现...有很大不同." 改为 "两者有着显著的不同之处."
- 将 "研究与发展...改进与创新." 改为 "优化和创新."
- 将 "实现依赖于..." 改为 "协同进步"
- 使用了更专业的术语如quantum 硬件等
- 在最后一句增加了具体的维度描述
（1）当前量子计算与量子制备的发展
实现量子互联网的技术基础必须依赖于通用型量子计算能力的支持。然而，在当前阶段上层网络架构的实际部署仍面临诸多技术瓶颈制约：其一是在可扩展性方面存在明显限制；其二是操作时间效率有待提升；其三是系统的可靠性保障体系尚不完善。就目前而言，在这一前沿领域核心技术的研发和应用主要集中在少数具有先进技术和产业基础的企业及组织中。为了满足日益增长的对高质量 quantum computing 和 quantum networking 服务的需求以及它们在各行业的潜在应用场景探索需求，在未来相当长的一段时间内：基于云服务模式提供相关技术支撑将成为多数具备一定规模及实力的企业集中发展的主攻方向。根据最新市场预测至2024年全球quantum computing 市场中约半数以上的企业将转向采用quantum cloud service的形式提供相关技术支持[24]。而对于当前阶段而言：由于普遍缺乏对通用型与分布式架构需求的高度关注：因此在全球范围内真正具备成熟应用能力的技术体系尚处于起步阶段。
（2）发展路径多样化与统一接口
目前呈现出多样化的路径实现 quantum entanglement distribution and transmission technologies. Realizing quantum interconnection demands addressing compatibility among various techniques and establishing unified interfaces. Physical qubit transmission relies on flying qubits to serve as the carrier for entanglement, with these typically utilizing photons as the substrate. As of now, physical qubit implementation has established a comprehensive set of schemes, including superconducting, quantum dots, silicon quantum dots, photonic qubits, and topological qubits[25]. Consequently, a unified interface is essential for ensuring that physical qubits and flying qubits can operate independently of different fabrication techniques and quantum transmission channels.
（3）量子通信与经典通信技术与资源的整合
量子互联网的发展受限于经典互联网，并不能完全取代其功能与应用。未来量子互联网的发展趋势将是通过整合现有通信网络和基础设施来实现对经典互联网的支持与扩展。例如，在现有的光网络系统下开展量子信息传输的同时支持经典信息处理工作。然而，在协调并行发展的经典通信技术、基础设施资源与其互补的量子技术方面仍面临诸多未解难题；解决这些问题不仅需要建立有效的跨学科研究平台还需要多领域专家共同努力形成协同效应以推动相关技术进步
我国量子信息技术的发展起步相对滞后，在量子保密通信与隐形传态等核心技术上具有明显优势的情况下，在标准体系构建、硬件设备研发以及产业生态完善等方面仍与国际先进水平存在差距。基于此现状，请提供一些建设性意见以促进我国量子互联网技术的发展
● 明确概念，加强产学研合力发展
量子互联网被视为未来量子信息通信发展的终极目标，并成为构建分布式量子计算体系的基础架构。然而，在这一概念以及核心技术领域仍存在诸多分歧尚未解决。通过系统性地阐明量子互联网的概念框架及其发展路径规划, 可以为参与方提供统一的认知基础, 从而加速相关投入向技术和产业的实际应用转化过程。与此同时, 我国应当促进产学研协同创新机制, 因为只有将量子互联网的优势通过实践验证才能得以显现, 当前在高校及科研机构领域的研究成果已处于领先地位, 因此应当加强科研机构与企业的技术对接, 打造多维度的实践验证平台, 这将有助于推动该技术尽快走向实际应用并促进各领域协同发展。
● 加快底层技术研究与应用
量子信息技术的发展依赖于多方面的基础支撑体系，在这一过程中需要整合量子制备技术、量子处理器以及新型物理系统等多个关键领域的发展成果。当前阶段我国在量子计算设备及处理器等核心技术方面仍存在明显差距，在全球顶尖水平上还无法形成完整的产业链布局；同时，在技术研发过程中也面临着国家安全等多重制约因素的影响。为此建议政府应当加大对基础研究的投入力度，在掌握核心技术的基础上推动技术创新突破；与此同时应当积极构建产学研协同创新机制，在确保关键技术自主可控的同时加快实际应用转化进程；通过持续强化基础理论研究和关键技术研发能力；最终实现从基础研究到产业化应用的整体跨越。
● 重视政策推动与标准建设
当下，
量子信息技术正快速推进，
其发展形式多样。
国际上有相关标准组织已经开始系统规划量子互联网，
而我国尚未建立完善的针对该领域的标准体系。
通过统一规范制定该领域的基本概念和核心功能，
可充分发挥指导作用。
同时，
建立起完善的评测体系，
将有助于促进量子信息技术的商业化应用和发展，
推动产业健康持续增长。