量子互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展研究

劉姿杉，賴俊森，趙文玉

綜述

量子互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展研究

劉姿杉，賴俊森，趙文玉

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

量子互聯(lián)網(wǎng)將量子計(jì)算、量子測(cè)量與通信相融合，可謂是量子信息技術(shù)演進(jìn)的未來(lái)目標(biāo)。然而，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(cè)量坍塌等，對(duì)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(duì)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(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行了展望與建議。

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(shì)以及對(duì)人工智能、軍事和商業(yè)等領(lǐng)域潛在的推動(dòng)與影響作用，量子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為目前國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)地[1]。2020年2月7日，美國(guó)白宮發(fā)布《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》[2]，確立了美國(guó)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(chǎng)和國(guó)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(guò)量子鏈路與經(jīng)典鏈路的協(xié)同來(lái)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(guò)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(jí)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(méi)有的量子力學(xué)特性的影響與限制，包括不可克隆、測(cè)量坍塌、量子糾纏原理等。例如，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以完整復(fù)制和放大信號(hào)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(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)的基本概念與發(fā)展路徑進(jìn)行介紹，對(duì)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)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)所涉及的概念對(duì)比見(jiàn)表1。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)利用經(jīng)典通信技術(shù)來(lái)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)（quantum key distribution，QKD）、量子認(rèn)證（quantum authority）和量子密集編碼（quantum dense coding，QDC）等[5]則是利用量子態(tài)作為信息比特的載體，加密經(jīng)典信息或量子比特。在Wehner等人[6]發(fā)表在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(lái)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。

表1 量子互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)概念對(duì)比

隨著量子通信與量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從量子密鑰分發(fā)和量子態(tài)隱形傳輸發(fā)展為遠(yuǎn)距離量子計(jì)算設(shè)備之間的互聯(lián)互通，從實(shí)現(xiàn)經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的可信和安全傳輸，發(fā)展到實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算和量子傳感，加大開(kāi)放量子通信與計(jì)算能力[7]。量子互聯(lián)網(wǎng)是由多個(gè)量子計(jì)算機(jī)與量子設(shè)備共同組成的網(wǎng)絡(luò)，可以像傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)經(jīng)典信息比特一樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子信息的傳輸、處理和存儲(chǔ)。量子互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)各類量子信息系統(tǒng)互聯(lián)和提升量子信息處理能力的物理載體和使能技術(shù)，量子互聯(lián)網(wǎng)需要支持多維度、遠(yuǎn)距離與多量子信息設(shè)備之間的傳輸。對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，其代表的（量子）計(jì)算、量子測(cè)量與通信相融合的發(fā)展方向可謂是量子信息技術(shù)演進(jìn)的終極目標(biāo)。量子隱形傳態(tài)在不轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)量子存儲(chǔ)物理介質(zhì)的前提下，結(jié)合經(jīng)典傳輸信道，利用量子糾纏原理來(lái)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的傳遞，是實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

2020年年初，美國(guó)發(fā)布《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》[2]，將量子網(wǎng)絡(luò)描述為量子設(shè)備之間的互聯(lián)網(wǎng)鏈路，通過(guò)量子處理器之間的糾纏以及量子態(tài)的傳輸、控制和測(cè)量，實(shí)現(xiàn)量子云計(jì)算和新型量子傳感模式等。繼24個(gè)歐盟成員表明共同開(kāi)展量子通信基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃后，歐盟“歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”近期發(fā)布《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》報(bào)告[8]，提出歐盟未來(lái)3年將推動(dòng)建設(shè)歐洲范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)，為未來(lái)的“量子互聯(lián)網(wǎng)”遠(yuǎn)景奠定基礎(chǔ)。報(bào)告將量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)定位在利用量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議的具有可信節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)上，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)。IETF 標(biāo)準(zhǔn)組織的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究工作任務(wù)組IRTF，設(shè)立了專門的量子互聯(lián)網(wǎng)研究組（Quantum Internet Research Group，QIRG），其研究?jī)?nèi)容包括量子信息網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、使能技術(shù)、路由協(xié)議等方面。其中，IETF草案《量子互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)原則》[9]將量子網(wǎng)絡(luò)定義為一系列能夠交換量子比特和糾纏態(tài)的互聯(lián)節(jié)點(diǎn)，而只能通過(guò)經(jīng)典方式與另一個(gè)量子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)不能看作量子網(wǎng)絡(luò)的成員。來(lái)自荷蘭量子計(jì)算公司QuTech的研究人員成功實(shí)現(xiàn)將3個(gè)量子設(shè)備連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。此外，他們還實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原理證明演示，標(biāo)志著邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要里程碑[10]。

我國(guó)高度重視量子通信與互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，在政策、產(chǎn)業(yè)與研究界均有較大的投入與合作。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)專門成立了量子通信與信息技術(shù)特設(shè)任務(wù)組，開(kāi)展量子信息技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)研究和制訂工作。目前我國(guó)在QKD組網(wǎng)技術(shù)上屬于世界先進(jìn)水平，并在2016年建設(shè)完成了延伸2000km級(jí)的“京滬干線”。在量子隱形傳態(tài)技術(shù)上，我國(guó)具備一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，我國(guó)的潘建偉等人在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)[11]，并在2020年成功實(shí)現(xiàn)了相距50 km量子存儲(chǔ)器之間的量子糾纏。2020年3月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、濟(jì)南量子技術(shù)研究院等單位合作，首次實(shí)現(xiàn)500 km級(jí)真是環(huán)境光纖的雙量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)509 km。

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(cè)量設(shè)備、量子存儲(chǔ)設(shè)備以及傳輸鏈路等，如圖1所示。

圖1 實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)所需的基本量子設(shè)備組成

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，它是量子互聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵的組成部分。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(cè)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(guò)執(zhí)行貝爾態(tài)測(cè)量（Bell state measurement，BSM）等方式來(lái)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（entanglement swapping）。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(cè)量設(shè)備與量子存儲(chǔ)也是量子互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的組成部分，其中量子測(cè)量設(shè)備負(fù)責(zé)為量子節(jié)點(diǎn)針對(duì)具體的傳輸任務(wù)生成糾纏態(tài)，量子存儲(chǔ)設(shè)備負(fù)責(zé)存儲(chǔ)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(lái)利用量子力學(xué)的特性，這可能導(dǎo)致量子網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)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(cè)量坍塌造成的無(wú)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(chǔ)單元中對(duì)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(duì)于量子比特的觀測(cè)會(huì)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(duì)|〉進(jìn)行測(cè)量，從一次測(cè)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(wú)法使用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的方法來(lái)對(duì)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(lái)應(yīng)對(duì)量子系統(tǒng)的噪聲與退相干問(wèn)題，是未來(lái)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(wú)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(wú)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(wú)法在基于量子糾纏的鏈路中使用。IETF標(biāo)準(zhǔn)草案[14]對(duì)中間系統(tǒng)—中間系統(tǒng)（intermediate system to intermediate system，IS-IS）和開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先（open shortest path first，OSPF）協(xié)議進(jìn)行了添加，以便用于量子網(wǎng)絡(luò)中量子對(duì)的創(chuàng)建和糾纏處理。同樣的，基于數(shù)據(jù)包重傳來(lái)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文丟失的網(wǎng)絡(luò)層TCP也無(wú)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(lái)應(yīng)對(duì)量子力學(xué)的特性。

（3）量子退相干與保真

在開(kāi)放的量子系統(tǒng)中，量子相干性會(huì)因?yàn)榕c外部環(huán)境發(fā)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(huán)境中可以保留量子比特的狀態(tài)，然而量子系統(tǒng)與環(huán)境隔離來(lái)維持量子邏輯一致性在物理上需要很高的技術(shù)要求，此外節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行量子比特的讀/寫(xiě)與通信等操作交互，因此在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)。因此在量子互聯(lián)網(wǎng)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(shù)，通常用量子退相干時(shí)間來(lái)進(jìn)行量化。除了量子退相干性的影響，物理系統(tǒng)的缺陷和隨機(jī)噪聲也是影響量子保真的因素。傳統(tǒng)的糾錯(cuò)技術(shù)無(wú)法抵御量子退相干與量子系統(tǒng)的噪聲影響，目前已出現(xiàn)了量子糾纏純化技術(shù)[15-16]、量子誤差校正技術(shù)[17-18]與量子編碼[19-20]等技術(shù)來(lái)緩解量子退相干和進(jìn)行量子糾錯(cuò)。

（4）量子糾纏分發(fā)與中繼

量子糾纏分發(fā)是構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路與核心架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。在量子互聯(lián)網(wǎng)中，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的量子通信，量子節(jié)點(diǎn)必須以量子糾纏分發(fā)技術(shù)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間建立共享糾纏對(duì)，并需要量子存儲(chǔ)技術(shù)將糾纏對(duì)進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)一系列量子中繼器來(lái)進(jìn)行量子糾纏純化和糾纏交換從而不斷擴(kuò)展量子糾纏距離。量子糾纏交換與量子隱形傳態(tài)的原理類似，通過(guò)測(cè)量結(jié)果與量子態(tài)坍塌之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)之間的糾纏[21]。以貝爾態(tài)測(cè)量方法為例，如圖2所示，本文對(duì)量子糾纏交換的原理進(jìn)行說(shuō)明。假設(shè)兩個(gè)EPR對(duì)分別被分發(fā)給發(fā)送節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)（1,1），以及中繼節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)（2,2）。中繼節(jié)點(diǎn)分別對(duì)1,2進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量，就可以最終使1與2系統(tǒng)處于糾纏態(tài)。因此通過(guò)多次對(duì)量子糾纏的中繼，可以實(shí)現(xiàn)量子糾纏遠(yuǎn)距離的分發(fā)[18]。

圖2 基于BSM的糾纏交換原理說(shuō)明

為了支持高效能的量子分發(fā)，還需要對(duì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，包括物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層等。2017年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)利用參量下轉(zhuǎn)換光源的方法實(shí)現(xiàn)了基于線性光學(xué)的量子中繼器中的嵌套糾纏純化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子糾纏交換過(guò)程中噪聲的自動(dòng)剔除[22]。由于量子信息無(wú)法廣播的特性，因此在鏈路層為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的糾纏分發(fā)，需要設(shè)計(jì)不同于經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的多址傳輸技術(shù)，從而允許多個(gè)量子設(shè)備能夠同時(shí)在單個(gè)量子鏈路進(jìn)行傳輸。在網(wǎng)絡(luò)層，糾纏分發(fā)的性能決定了量子互聯(lián)網(wǎng)的連通能力，因此需要針對(duì)量子設(shè)備之間的連接設(shè)計(jì)量子路由的度量指標(biāo)與路由協(xié)議。文獻(xiàn)[23]提出了一種機(jī)會(huì)主義的量子糾纏分發(fā)方法，利用費(fèi)用函數(shù)來(lái)衡量本地量子存儲(chǔ)器中由量子相干造成的誤差和量子保真度的變化，并通過(guò)機(jī)會(huì)模型從一系列量子節(jié)點(diǎn)中挑選得到費(fèi)用最小的節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行量子糾纏分發(fā)。與此同時(shí)，由于量子糾纏的影響，當(dāng)一個(gè)新的量子比特需要被傳輸時(shí)，傳輸源與接收者之間需要生成并分發(fā)一個(gè)新的糾纏對(duì)，這種約束條件也是量子網(wǎng)絡(luò)中所需要考慮的問(wèn)題。

3 未來(lái)展望與發(fā)展建議

量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程需要解決計(jì)算與通信等一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)。我國(guó)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(chǔ)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(jí)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(lái)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(chǎng)將以量子云服務(wù)的方式來(lái)呈現(xiàn)[24]。而短期內(nèi)，量子計(jì)算市場(chǎng)對(duì)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(huì)是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)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(wú)法完全獨(dú)立或取代經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)，未來(lái)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(lái)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(kāi)放性的問(wèn)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但在標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、硬件發(fā)展、生態(tài)建設(shè)上和國(guó)際最先進(jìn)水平仍有一定差距。因此，對(duì)于中國(guó)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(lái)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(duì)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(shí)。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(shí)，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(guó)應(yīng)推動(dòng)“產(chǎn)學(xué)研”三方之間的合作，量子互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)最終需要落地實(shí)踐來(lái)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(guò)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(dòng)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(guó)在量子計(jì)算機(jī)與處理器等領(lǐng)域距離國(guó)際先進(jìn)水平仍有較大差距，且受目前國(guó)家局勢(shì)的影響，技術(shù)路線較為受限。因此國(guó)家需要加大對(duì)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(shì)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(dòng)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(guó)際上已經(jīng)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織開(kāi)始對(duì)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(guó)尚未開(kāi)展專門針對(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化工作。通過(guò)對(duì)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(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起到引導(dǎo)作用。通過(guò)建立完善的評(píng)測(cè)體系，也可帶動(dòng)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。

[1] 中國(guó)信息通信研究院. 量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告[R]. 2019.

CAICT. Research report on development and application of quantum information technology[R]. 2019.

[2] 美國(guó)白宮網(wǎng)站. 美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想[R]. 2020.

White House website. A strategic vision for americas quantum networks[R]. 2020.

[3] CACCIAPUOTI A S, CALEFFI M, TAFURI F, et al. Quantum Internet: networking challenges in distributed quantum computing[J]. IEEE Network, 2020, 34(1): 137-143.

[4] KIMBLE H J. The quantum Internet[J]. Nature, 2008, 453(7198): 1023-1030.

[5] 樊礬, 魏世海, 楊杰, 等. 量子保密通信技術(shù)綜述[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2018, 13(3): 356-362.

FAN F, WEI S H, YANG J, et al. Review of quantum secret communication technology[J]. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology, 2018, 13(3): 356-362.

[6] WEHNER S, ELKOUSS D, HANSON R. Quantum Internet: a vision for the road ahead[J]. Science, 2018, 362(6412): eaam9288.

[7] CALEFFI M, CACCIAPUOTI A S, BIANCHI G. Quantum Internet: from communication to distributed computing[C]// Proceedings of the 5th ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication. New York: ACM Press, 2018.

[8] RIEDEL M, KOVACS M, ZOLLER P, et al. Europe's quantum flagship initiative[J]. Quantum Science and Technology, 2019, 4(2): 020501.

[9] KOZLOWSKI W. Architectural principles for a Quantum Internet[R]. 2019.

[10] POMPILI M, HERMANS S L N, BAIER S, et al. Realization of a multinode quantum network of remote solid-state qubits[J]. Science, 2021, 372(6539): 259-264.

[11] LUO Y H, ZHONG H S, ERHARD M, et al. Quantum teleportation in high dimensions[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(7): 070505.

[12] DIVINCENZO D P. The physical implementation of quantum computation[J]. Fortschritte Der Physik, 2000, 48(9/10/11): 771-783.

[13] CALEFFI M. Optimal routing for quantum networks[J]. IEEE Access, 2017(5): 22299-22312.

[14] KOMPELLA K, AELMANS M, WEHNER S, et al. Advertising entanglement capabilities in quantum networks[R]. 2018.

[15] PAN J W, SIMON C, BRUKNER ?, et al. Entanglement purification for quantum communication[J]. Nature, 2001, 410(6832): 1067-1070.

[16] BENNETT C H, BRASSARD G, POPESCU S, et al. Purification of noisy entanglement and faithful teleportation via noisy channels[J]. Physical Review Letters, 1996, 76(5): 722-725.

[17] CORY D G, PRICE M D, MAAS W, et al. Experimental quantum error correction[J]. Physical Review Letters, 1998, 81(10): 2152-2155.

[18] ZHANG J F, GANGLOFF D, MOUSSA O, et al. Experimental quantum error correction with high fidelity[J]. Physical Review A, 2011, 84(3): 034303.

[19] HASELGROVE H L. Optimal state encoding for quantum walks and quantum communication over spin systems[J]. Physical Review A, 2005, 72(6): 062326.

[20] ELDER S S, WANG C S, REINHOLD P, et al. High-fidelity measurement of qubits encoded in multilevel superconducting circuits[J]. Physical Review X, 2020, 10(1): 011001.

[21] METER R, TOUCH J. Designing quantum repeater networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2013, 51(8): 64-71.

[22] CHEN L K, YONG H L, XU P, et al. Experimental nested purification for a linear optical quantum repeater[J]. Nature Photonics, 2017, 11(11): 695-699.

[23] GYONGYOSI L, IMRE S. Opportunistic entanglement distribution for the quantum Internet[J]. Scientific Reports, 2019, 9(1): 1-9.

[24] H. S. R. C. (HSRC). Quantum computing market & technologies — 2018–2024[R]. 2018.

[25] 張海懿, 崔瀟, 吳冰冰. 量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用分析[J]. 信息通信技術(shù)與政策, 2020(7): 20-26.

ZHANG H Y, CUI X, WU B B. Analysis of quantum computing industrial developments and applications[J]. Information and Communications Technology and Policy, 2020(7): 20-26.

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(xué)基金資助項(xiàng)目（No.62006248）

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

劉姿杉（1992?），女，博士，中國(guó)信息通信研究院工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)智能化、聯(lián)邦學(xué)習(xí)、量子通信技術(shù)等。

賴俊森（1983?），男，博士，中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部高級(jí)工程師，主要從事量子信息等相關(guān)新技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制訂及測(cè)試驗(yàn)證等工作。

趙文玉（1973?），男，博士，中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部主任、正高級(jí)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(guān)新技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制訂及測(cè)試驗(yàn)證等工作。