量子互聯網關鍵技術與發展研究

劉姿杉，賴俊森，趙文玉

綜述

量子互聯網關鍵技術與發展研究

劉姿杉，賴俊森，趙文玉

（中國信息通信研究院，北京 100191）

量子互聯網將量子計算、量子測量與通信相融合，可謂是量子信息技術演進的未來目標。然而，量子力學規律的限制，例如量子不可克隆、量子糾纏與測量坍塌等，對網絡的網絡功能、協議設計以及傳輸與中繼等方面提出了新的挑戰。首先介紹了量子互聯網的基本概念與發展路徑，考慮量子通信特性與經典通信的不同之處，從量子物理設備、網絡協議、量子退相干與量子中繼等方面對實現量子互聯網的關鍵技術進行總結，并對量子互聯網的發展進行了展望與建議。

量子互聯網；量子通信；關鍵技術

0 引言

由于量子計算在計算性能上的巨大效率優勢以及對人工智能、軍事和商業等領域潛在的推動與影響作用，量子技術的發展已經成為目前國際技術競爭的重要領地[1]。2020年2月7日，美國白宮發布《美國量子網絡戰略構想》[2]，確立了美國量子網絡的發展目標與技術發展計劃，使得這一概念引起市場和國內外研究界的廣泛關注。量子信息網絡，也稱量子互聯網，基于量子通信技術產生、傳輸和使用量子態資源，并通過量子鏈路與經典鏈路的協同來實現量子信息處理系統或節點之間的互連，從而進一步提高量子信息傳輸和處理能力，并可擴大量子比特操作的數量[3]。通過采用分布式的范式，隨著互連的量子設備數目的增多，量子互聯網可以被看作由大量量子比特構成的虛擬量子計算機，實現計算能力的指數級加速[4]。然而，量子互聯網的實現并非易事，它受到經典通信系統所沒有的量子力學特性的影響與限制，包括不可克隆、測量坍塌、量子糾纏原理等。例如，傳統網絡可以完整復制和放大信號的假設在量子網絡中由于不可克隆原理而并不成立。本文在此背景下，首先對量子互聯網的基本概念與發展路徑進行介紹，對實現量子互聯的關鍵技術進行總結。最后，探討了量子互聯網的實現所面臨的挑戰并給出了相關發展建議。

1 量子互聯網基本概念與發展現狀

量子互聯網與傳統互聯網所涉及的概念對比見表1。傳統互聯網利用經典通信技術來遵循經典物理學原理傳遞經典比特，目前發展最為成熟的量子密鑰分發網絡，包括量子密鑰分發（quantum key distribution，QKD）、量子認證（quantum authority）和量子密集編碼（quantum dense coding，QDC）等[5]則是利用量子態作為信息比特的載體，加密經典信息或量子比特。在Wehner等人[6]發表在的論文中所描述量子互聯網6個發展階段中，量子密碼技術屬于第0階段，它所描述的并非真正的量子網絡，而是用戶能夠創建量子密鑰并在相距遙遠的通信雙方之間進行密鑰的分發，利用密鑰的安全性來保證通信的保密性。

相反，量子互聯網豐富和擴展了量子通信范式以在量子信息設備之間進行量子信息的傳輸。

表1 量子互聯網與傳統互聯網概念對比

隨著量子通信與量子計算技術的發展，量子信息網絡的關注點已經從量子密鑰分發和量子態隱形傳輸發展為遠距離量子計算設備之間的互聯互通，從實現經典網絡的可信和安全傳輸，發展到實現分布式量子計算和量子傳感，加大開放量子通信與計算能力[7]。量子互聯網是由多個量子計算機與量子設備共同組成的網絡，可以像傳統互聯網對經典信息比特一樣，實現對量子信息的傳輸、處理和存儲。量子互聯網是實現各類量子信息系統互聯和提升量子信息處理能力的物理載體和使能技術，量子互聯網需要支持多維度、遠距離與多量子信息設備之間的傳輸。對應于傳統互聯網，其代表的（量子）計算、量子測量與通信相融合的發展方向可謂是量子信息技術演進的終極目標。量子隱形傳態在不轉移存儲量子存儲物理介質的前提下，結合經典傳輸信道，利用量子糾纏原理來實現量子態的傳遞，是實現量子存儲網絡和量子互聯網的基礎。

2020年年初，美國發布《美國量子網絡戰略構想》[2]，將量子網絡描述為量子設備之間的互聯網鏈路，通過量子處理器之間的糾纏以及量子態的傳輸、控制和測量，實現量子云計算和新型量子傳感模式等。繼24個歐盟成員表明共同開展量子通信基礎設施計劃后，歐盟“歐洲量子技術旗艦計劃”近期發布《戰略研究議程（SRA）》報告[8]，提出歐盟未來3年將推動建設歐洲范圍的量子通信網絡，為未來的“量子互聯網”遠景奠定基礎。報告將量子互聯網絡的實現重點定位在利用量子密鑰分發（QKD）協議的具有可信節點的網絡開發上，其最終目標是實現量子互聯網。IETF 標準組織的互聯網技術研究工作任務組IRTF，設立了專門的量子互聯網研究組（Quantum Internet Research Group，QIRG），其研究內容包括量子信息網絡的架構、使能技術、路由協議等方面。其中，IETF草案《量子互聯網的架構原則》[9]將量子網絡定義為一系列能夠交換量子比特和糾纏態的互聯節點，而只能通過經典方式與另一個量子節點進行通信的節點不能看作量子網絡的成員。來自荷蘭量子計算公司QuTech的研究人員成功實現將3個量子設備連接在同一個網絡中。此外，他們還實現了關鍵量子網絡協議的原理證明演示，標志著邁向量子互聯網的一個重要里程碑[10]。

我國高度重視量子通信與互聯技術的發展，在政策、產業與研究界均有較大的投入與合作。中國通信標準化協會專門成立了量子通信與信息技術特設任務組，開展量子信息技術方面的標準研究和制訂工作。目前我國在QKD組網技術上屬于世界先進水平，并在2016年建設完成了延伸2000km級的“京滬干線”。在量子隱形傳態技術上，我國具備一定的國際競爭優勢，我國的潘建偉等人在國際上首次成功實現高維度量子體系的隱形傳態[11]，并在2020年成功實現了相距50 km量子存儲器之間的量子糾纏。2020年3月，中國科學技術大學、清華大學、濟南量子技術研究院等單位合作，首次實現500 km級真是環境光纖的雙量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，傳輸距離長達509 km。

2 量子互聯網關鍵技術

考慮量子通信的特性與經典通信有很大不同，量子互聯網的設計與實現需要量子物理設備、網絡協議、量子退相干與量子中繼等方面的關鍵技術。

（1）量子物理設備

為了實現量子互聯網，所需的量子物理設備原則上至少要包括糾纏制備、量子節點、量子測量設備、量子存儲設備以及傳輸鏈路等，如圖1所示。

圖1 實現量子互聯網所需的基本量子設備組成

量子節點是量子互聯網進行連接的各種設備實體，它是量子互聯網最關鍵的組成部分。為了使得量子互聯網充分發揮潛力，量子節點需要具備一定的功能與能力，借助著名理論物理學家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能力等[12]。量子糾纏制備，負責量子鏈路之間量子糾纏態的生成和分發，通過執行貝爾態測量（Bell state measurement，BSM）等方式來實現量子信息處理任務，例如量子隱形傳態和量子糾纏交換（entanglement swapping）。量子糾纏制備可以是單獨的物理實體，也可以是量子節點的部分組件。除此以外，量子測量設備與量子存儲也是量子互聯網不可或缺的組成部分，其中量子測量設備負責為量子節點針對具體的傳輸任務生成糾纏態，量子存儲設備負責存儲量子態以及量子信息的應答等。

（2）網絡功能與協議設計

由于量子通信的物理本質與經典通信完全不同，因此量子互聯網的實現需要從頭構建相應的網絡協議堆棧。實際上，在量子互聯網絡中需要特殊的網絡范式來利用量子力學的特性，這可能導致量子網絡與傳統網絡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制量子信息，使得量子互聯網中網絡功能的設計更加困難和復雜化。在經典計算與通信網絡中，可以實現在任意時間從存儲單元中對數據進行復制、錯誤檢驗和校正等。而在量子力學中，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坍塌至確定態。一個量子比特雖然能夠同時表示|0〉和|1〉兩種基態，然而若對|〉進行測量，從一次測量中只能獲得關于粒子基態的一個比特信息。因此，無法使用經典網絡中的方法來對量子互聯網絡進行數據的錯誤檢驗和校正等。將多個物理量子比特進行編碼來應對量子系統的噪聲與退相干問題，是未來量子互聯網的實現基礎。量子不可克隆定理導致量子信息無法被直接傳輸到多個目的地。經典網絡中鏈路層的媒體接入控制協議和路由協議無法在量子互聯網絡中直接使用，已經有研究表明[13]，基于Dijkstra或Bellman-Ford的經典路由算法無法在基于量子糾纏的鏈路中使用。IETF標準草案[14]對中間系統—中間系統（intermediate system to intermediate system，IS-IS）和開放式最短路徑優先（open shortest path first，OSPF）協議進行了添加，以便用于量子網絡中量子對的創建和糾纏處理。同樣的，基于數據包重傳來應對數據報文丟失的網絡層TCP也無法在量子互聯網中應用。量子互聯網需要專門的網絡功能和協議設計，需要從體系架構層面來應對量子力學的特性。

（3）量子退相干與保真

在開放的量子系統中，量子相干性會因為與外部環境發生量子糾纏而使得量子比特的信息量逐步丟失。除非在完全隔離的環境中可以保留量子比特的狀態，然而量子系統與環境隔離來維持量子邏輯一致性在物理上需要很高的技術要求，此外節點之間需要進行量子比特的讀/寫與通信等操作交互，因此在實踐中很難實現。因此在量子互聯網中，需要保證足夠的量子保真能力，這很大程度上取決于量子比特的操控技術，通常用量子退相干時間來進行量化。除了量子退相干性的影響，物理系統的缺陷和隨機噪聲也是影響量子保真的因素。傳統的糾錯技術無法抵御量子退相干與量子系統的噪聲影響，目前已出現了量子糾纏純化技術[15-16]、量子誤差校正技術[17-18]與量子編碼[19-20]等技術來緩解量子退相干和進行量子糾錯。

（4）量子糾纏分發與中繼

量子糾纏分發是構建量子互聯網鏈路與核心架構的關鍵技術。在量子互聯網中，為實現長距離的量子通信，量子節點必須以量子糾纏分發技術與相鄰節點之間建立共享糾纏對，并需要量子存儲技術將糾纏對進行存儲，并通過一系列量子中繼器來進行量子糾纏純化和糾纏交換從而不斷擴展量子糾纏距離。量子糾纏交換與量子隱形傳態的原理類似，通過測量結果與量子態坍塌之間的對應關系來實現量子態之間的糾纏[21]。以貝爾態測量方法為例，如圖2所示，本文對量子糾纏交換的原理進行說明。假設兩個EPR對分別被分發給發送節點與中繼節點（1,1），以及中繼節點與接收節點（2,2）。中繼節點分別對1,2進行貝爾態測量，就可以最終使1與2系統處于糾纏態。因此通過多次對量子糾纏的中繼，可以實現量子糾纏遠距離的分發[18]。

圖2 基于BSM的糾纏交換原理說明

為了支持高效能的量子分發，還需要對相應的網絡功能進行專門的設計，包括物理層、鏈路層和網絡層等。2017年，中國科學技術大學的潘建偉院士團隊在國際上首次實現利用參量下轉換光源的方法實現了基于線性光學的量子中繼器中的嵌套糾纏純化，從而實現對量子糾纏交換過程中噪聲的自動剔除[22]。由于量子信息無法廣播的特性，因此在鏈路層為了實現多個設備之間的糾纏分發，需要設計不同于經典互聯網的多址傳輸技術，從而允許多個量子設備能夠同時在單個量子鏈路進行傳輸。在網絡層，糾纏分發的性能決定了量子互聯網的連通能力，因此需要針對量子設備之間的連接設計量子路由的度量指標與路由協議。文獻[23]提出了一種機會主義的量子糾纏分發方法，利用費用函數來衡量本地量子存儲器中由量子相干造成的誤差和量子保真度的變化，并通過機會模型從一系列量子節點中挑選得到費用最小的節點來進行量子糾纏分發。與此同時，由于量子糾纏的影響，當一個新的量子比特需要被傳輸時，傳輸源與接收者之間需要生成并分發一個新的糾纏對，這種約束條件也是量子網絡中所需要考慮的問題。

3 未來展望與發展建議

量子互聯網的發展過程需要解決計算與通信等一系列的技術挑戰。我國的潘建偉指出量子網絡的發展將分為量子密鑰網絡、量子存儲網絡與量子計算網絡3個階段。文獻[6]提出的6個階段的量子互聯網發展演進中，目前量子的互聯網發展仍停留在初級階段。一方面，量子互聯網的設計與實現與經典網絡有很大不同，量子互聯網的研究與發展需要考慮支持通信信息技術在量子領域的改進與創新。另一方面，量子互聯網的實現依賴于量子設備與量子計算等技術的共同發展。量子互聯網的發展與實際部署需要考慮以下幾個方面的挑戰。

（1）當前量子計算與量子制備的發展

量子互聯網的最終實現需要通用量子計算能力作為前提，然而現階段量子計算的實現在可擴展性、操控時間與保真度等方面依然存在較大局限。量子制備與量子計算機的制造與維護現階段需要高昂的費用來支撐，相關技術與發展目前集中在少數企業與組織，為滿足量子計算與量子互聯的需求與應用探索，量子計算與通信技術的應用將最可能集中在少數具備量子操控能力的數據中心以云服務的形式提供服務。到2024年，預計一半以上的量子計算市場將以量子云服務的方式來呈現[24]。而短期內，量子計算市場對于通用與分布式量子計算的需求較小，因此量子互聯網的發展與部署將會是一個較為漫長的過程。

（2）發展路徑多樣化與統一接口

目前量子糾纏分發與傳輸相關技術實現的路徑呈現多樣化，量子互聯的實現需要考慮不同技術之間的兼容性與統一接口。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。實現物理量子比特的技術目前已經出現了超導、量子阱、硅量子點、光量子、拓撲量子比特等多種物理實現方案[25]，因此物理量子比特與飛行量子位之間需要可以獨立于不同制備技術以及不同量子傳輸信道的統一接口。

（3）量子通信與經典通信技術與資源的整合

量子互聯網的發展無法完全獨立或取代經典互聯網，未來量子互聯網的發展可能是利用現有通信資源與基礎設施來進行量子通信與經典互聯網的融合，例如利用現有的光網絡同時進行經典信息與量子信息的傳輸。然而，能否靈活地進行經典通信技術、基礎設施資源與量子技術的整合，仍然存在很多開放性的問題，其解決方案需要多學科與領域的合力，包括通信理論、網絡工程與量子力學等。

由于我國量子信息技術及其標準化發展起步較晚，盡管在量子保密通信與隱形傳態等技術上有很大的競爭優勢，但在標準建設、硬件發展、生態建設上和國際最先進水平仍有一定差距。因此，對于中國發展量子互聯網技術提出以下建議。

●明確概念，加強產學研合力發展

量子互聯網是未來量子信息通信發展的最終目標，也是分布式量子計算實現的關鍵支撐。但目前對于量子互聯網的概念和關鍵技術尚未達成共識。明確量子互聯網的概念和基本發展路徑，將有利于多方達成共識，有助于將相關投入盡快轉化為技術與產業成果。同時，我國應推動“產學研”三方之間的合作，量子互聯網的優勢最終需要落地實踐來證明，而目前量子互聯網的前沿成果較大部分集中在高校與科研機構，因此通過加強科研機構與相關企業的技術聯系，發展實踐與驗證渠道，有助于推動量子互聯網技術的落地和多個領域的全面健康發展。

●加快底層技術研究與應用

量子信息技術的發展需要量子制備技術、量子處理器與量子計算機等底座技術與物理系統的支撐，當前我國在量子計算機與處理器等領域距離國際先進水平仍有較大差距，且受目前國家局勢的影響，技術路線較為受限。因此國家需要加大對于基礎量子物理系統與設備的研發，把握量子信息技術與量子計算發展的核心能力，確保關鍵技術的自主研發性。在投入基礎研究的同時，加快技術應用與落點驗證，將理論技術真正轉化為應用優勢與產業效益，從而獲得量子信息技術與量子計算的可持續發展。

●重視政策推動與標準建設

目前，量子信息技術發展迅速且方案多樣化，國際上已經有相關標準組織開始對量子互聯網進行專門研究與標準化工作，而我國尚未開展專門針對量子互聯網的標準規范化工作。通過對量子互聯網的概念、功能體系、發展路線、關鍵功能技術等進行統一規范，可以對量子互聯網的發展起到引導作用。通過建立完善的評測體系，也可帶動量子信息技術的商業化應用推廣與產業健康發展。

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Quantum Internet:key technologies and future prospect

LIU Zishan, LAI Junsen, ZHAO Wenyu

China Academy of Information and Communication Technology, Beijing 100191, China

The quantum Internet integrates quantum computing, quantum measurement and communication, which can be described as the future goal of the evolution of quantum information technology. However, due to the restrictions of the laws of quantum mechanics, such as quantum teleportation, quantum entanglement, quantum measurement and non-cloning, which all pose new challenges to the quantum networking design. The basic concepts and development paths of the quantum Internet were firstly introduced, and the implementation differences between the classical network and the quantum network were explained. Considering the difference between quantum communication and the traditional communication, the key technologies for realizing the quantum Internet including the quantum physical devices, networking protocol, quantum decoherence and quantum relay were introduced, and finally the prospect and suggestions for developing quantum Internet was presented.

quantum Internet, quantum communication, key technology

TN915.02

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022034

2021?08?17；

2022?02?09

青年科學基金資助項目（No.62006248）

The National Science Fund for Young Scholars(No.62006248)

劉姿杉（1992?），女，博士，中國信息通信研究院工程師，主要研究方向為網絡智能化、聯邦學習、量子通信技術等。

賴俊森（1983?），男，博士，中國信息通信研究院技術與標準研究所寬帶網絡研究部高級工程師，主要從事量子信息等相關新技術研究、標準制訂及測試驗證等工作。

趙文玉（1973?），男，博士，中國信息通信研究院技術與標準研究所寬帶網絡研究部主任、正高級工程師，主要從事超高速光通信、光模塊器件和量子信息等相關新技術研究、標準制訂及測試驗證等工作。