量子互聯(lián)網關鍵技術與發(fā)展研究

　　摘要：量子互聯(lián)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，由于受到量子力學規(guī)律的限制，例如量子不可克隆、量子糾纏與測量坍塌等，對于網絡的網絡功能、協(xié)議設計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)網的基本概念與發(fā)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(xié)議、量子退相干與量子中繼等方面對實現(xiàn)量子互聯(lián)網的關鍵技術進行總結，并對量子互聯(lián)網的發(fā)展進行了展望與建議。

　　關鍵詞：量子互聯(lián)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(yōu)勢以及對人工智能、軍事和商業(yè)等領域潛在的推動與影響作用，量子技術的發(fā)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(fā)布《美國量子網絡戰(zhàn)略構想》[2]，確立了美國量子網絡的發(fā)展目標與技術發(fā)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(lián)網，基于量子通信技術產生、傳輸和使用量子態(tài)資源，并通過量子鏈路與經典鏈路的協(xié)同來實現(xiàn)量子信息處理系統(tǒng)或節(jié)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(shù)量[3]。通過采用分布式的范式，隨著互連的量子設備數(shù)目的增多，量子互聯(lián)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(xiàn)計算能力的指數(shù)級加速[4]。然而，量子互聯(lián)網的實現(xiàn)并非易事，它受到經典通信系統(tǒng)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，經典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(lián)網的基本概念與發(fā)展路徑進行介紹，對實現(xiàn)量子互聯(lián)的關鍵技術進行總結。最后，探討了量子互聯(lián)網的實現(xiàn)所面臨的挑戰(zhàn)并給出了相關發(fā)展建議。

　　1量子互聯(lián)網基本概念與發(fā)展現(xiàn)狀

　　量子互聯(lián)網與經典互聯(lián)網所涉及的概念見表1。傳統(tǒng)互聯(lián)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(fā)展最為成熟的量子密鑰分發(fā)網絡，包括量子密鑰分發(fā)（quantumkeydistribution，QKD）、量子認證（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6個發(fā)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(chuàng)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(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。

　　2量子互聯(lián)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(lián)網的設計與實現(xiàn)需要量子物理設備、網絡協(xié)議、量子退相干與量子中繼等方面的關鍵技術。

　?。?）量子物理設備

　　為了實現(xiàn)量子互聯(lián)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(jié)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。

　　量子節(jié)點是量子互聯(lián)網進行連接的各種設備實體，它是構成量子互聯(lián)網的最關鍵的組成。為了使得量子互聯(lián)網充分發(fā)揮潛力，量子節(jié)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(tài)的生成和分發(fā)，通過執(zhí)行貝爾態(tài)測量（Bellstatemeasurement，BSM）等方式來實現(xiàn)量子信息處理任務，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的物理實體，也可以是量子節(jié)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(lián)網不可或缺的組成部分，其中量子測量設備負責為量子節(jié)點針對具體的傳輸任務生成糾纏態(tài)，量子存儲設備負責存儲量子態(tài)以及量子信息的應答等。

　?。?）網絡功能與協(xié)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(lián)網的實現(xiàn)需要從頭構建相應的網絡協(xié)議堆棧。實際上，在量子互聯(lián)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經典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(lián)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(xiàn)在任意時間從存儲單元中對數(shù)據(jù)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(tài)坍塌至確定態(tài)。一個量子比特雖然能夠同時表示|0〉和|1〉兩種基態(tài)，然而若對|ψ〉進行測量，從一次測量中只能獲得關于粒子基態(tài)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(lián)網絡進行數(shù)據(jù)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(tǒng)的噪聲與退相干問題，是未來量子互聯(lián)網的實現(xiàn)基礎。量子不可克隆定理導致量子信息無法被直接傳輸?shù)蕉鄠€目的地。經典網絡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(tǒng)—中間系統(tǒng)（intermediatesystemtointermediatesystem，IS-IS）和開放式最短路徑優(yōu)先（openshortestpathfirst，OSPF）協(xié)議進行了添加，以便用于量子網絡中量子對的創(chuàng)建和糾纏處理。同樣的，基于數(shù)據(jù)包重傳來應對數(shù)據(jù)報文丟失的網絡層TCP也無法在量子互聯(lián)網中應用。量子互聯(lián)網需要專門的網絡功能和協(xié)議設計，需要從體系架構層面來應對量子力學的特性。

　　3未來展望與發(fā)展建議

　　量子互聯(lián)網的發(fā)展過程需要解決計算與通信等一系列的技術挑戰(zhàn)。我國的潘建偉指出量子網絡的發(fā)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(lián)網發(fā)展演進中，目前量子的互聯(lián)網發(fā)展仍停留在初級階段。一方面，量子互聯(lián)網的設計與實現(xiàn)與經典網絡有很大不同，量子互聯(lián)網的研究與發(fā)展需要考慮支持通信信息技術在量子領域的改進與創(chuàng)新。另一方面，量子互聯(lián)網的實現(xiàn)依賴于量子設備與量子計算等技術的共同發(fā)展。量子互聯(lián)網的發(fā)展與實際部署需要考慮以下幾個方面的挑戰(zhàn)。

　?。?）當前量子計算與量子制備的發(fā)展量子互聯(lián)網的最終實現(xiàn)需要通用量子計算能力作為前提，然而現(xiàn)階段量子計算的實現(xiàn)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(xiàn)階段需要高昂的費用來支撐，相關技術與發(fā)展目前集中在少數(shù)企業(yè)與組織，為滿足量子計算與量子互聯(lián)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(shù)具備量子操控能力的數(shù)據(jù)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(xiàn)[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(lián)網的發(fā)展與部署將會是一個較為漫長的過程。

　?。?）發(fā)展路徑多樣化與統(tǒng)一接口目前量子糾纏分發(fā)與傳輸相關技術實現(xiàn)的路徑呈現(xiàn)多樣化，量子互聯(lián)的實現(xiàn)需要考慮不同技術之間的兼容性與統(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。實現(xiàn)物理量子比特的技術目前已經出現(xiàn)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(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立于不同制備技術以及不同量子傳輸信道的統(tǒng)一接口。

　?。?）量子通信與經典通信技術與資源的整合量子互聯(lián)網的發(fā)展無法完全獨立或取代經典互聯(lián)網，未來量子互聯(lián)網的發(fā)展可能是利用現(xiàn)有通信資源與基礎設施來進行量子通信與經典互聯(lián)網的融合，例如利用現(xiàn)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(fā)展起步較晚，盡管在量子保密通信與隱形傳態(tài)等技術上有很大的競爭優(yōu)勢，但在標準建設、硬件發(fā)展、生態(tài)建設上和國際最先進水平仍有一定差距。因此，對于發(fā)展量子互聯(lián)網技術提出以下建議。

　　·明確概念，加強產學研合力發(fā)展量子互聯(lián)網是未來量子信息通信發(fā)展的最終目標，也是分布式量子計算實現(xiàn)的關鍵支撐。但目前對于量子互聯(lián)網的概念和關鍵技術尚未達成共識。明確量子互聯(lián)網的概念和基本發(fā)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(yè)成果。同時，我國應推動“產學研”三方之間的合作，量子互聯(lián)網的優(yōu)勢最終需要落地實踐來證明，而目前量子互聯(lián)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(yè)的技術聯(lián)系，發(fā)展實踐與驗證渠道，有助于推動量子互聯(lián)網技術的落地和多個領域的全面健康發(fā)展。

　　·加快底層技術研究與應用量子信息技術的發(fā)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(tǒng)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，且受目前局勢的影響，技術路線較為受限。因此需要加大對于基礎量子物理系統(tǒng)與設備的研發(fā)，把握量子信息技術與量子計算發(fā)展的核心能力，確保關鍵技術的自主研發(fā)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(yōu)勢與產業(yè)效益，從而獲得量子信息技術與量子計算的可持續(xù)發(fā)展。

　　重視政策推動與標準建設目前，量子信息技術發(fā)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(lián)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(lián)網的標準規(guī)范化工作。通過對量子互聯(lián)網的概念、功能體系、發(fā)展路線、關鍵功能技術等進行統(tǒng)一規(guī)范，可以對量子互聯(lián)網的發(fā)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(yè)化應用推廣與產業(yè)健康發(fā)展。

　　參考文獻：

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　　[2]美國白宮網站.美國量子網絡戰(zhàn)略構想[R].2020.WhiteHousewebsite.AstrategicvisionforAmericasquantumnetworks[R].2020.

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

　　劉姿杉，賴俊森，趙文玉

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