李靜，高飛，秦素娟，溫巧燕，張平

（網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京郵電大學(xué)），北京 100876）

一、前言

量子信息科學(xué)是量子力學(xué)與信息技術(shù)相結(jié)合的一門新興交叉學(xué)科，近年來(lái)已發(fā)展成為科技領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一。量子信息科學(xué)主要包括量子通信、量子計(jì)算和量子測(cè)量等研究領(lǐng)域。量子通信，從字面上來(lái)講，指?jìng)鬏斄孔討B(tài)的通信形式，如直接在信道中傳輸量子比特，或者利用糾纏態(tài)為信道傳輸量子信息（稱作量子隱形傳態(tài)[1]）。由于當(dāng)前的量子通信技術(shù)主要被應(yīng)用于密鑰分配，所以人們常聽(tīng)到的“量子通信”往往特指量子密鑰分配（QKD）[2]或者基于QKD的（用來(lái)傳輸經(jīng)典消息的）保密通信。不同于傳統(tǒng)密碼學(xué)中的密鑰分配協(xié)議，QKD的安全性由物理原理來(lái)保證，理論上可達(dá)到信息論安全，因此具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。人們也嘗試將量子力學(xué)性質(zhì)應(yīng)用于完成其他密碼學(xué)任務(wù)（以期獲得同樣的安全性優(yōu)勢(shì)），如秘密共享、身份認(rèn)證、數(shù)字簽名、擲幣、比特承諾等，相關(guān)研究屬于量子密碼學(xué)的范疇。量子計(jì)算是通過(guò)調(diào)控量子信息物理單元來(lái)進(jìn)行并行計(jì)算的一種先進(jìn)計(jì)算模式，相比經(jīng)典計(jì)算，在求解某些特定問(wèn)題上已展現(xiàn)出了顯著的速度優(yōu)勢(shì)，如整數(shù)分解[3]、無(wú)序數(shù)據(jù)搜索[4]等。

量子網(wǎng)絡(luò)是量子通信和量子計(jì)算相結(jié)合的產(chǎn)物，被認(rèn)為是量子信息技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)[5]；作為由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和信道所構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)，可連接量子計(jì)算機(jī)與其他量子設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。通信信道包括經(jīng)典信道與量子信道（光纖/自由空間），其中經(jīng)典信道用于傳輸經(jīng)典信息，量子信道用于傳輸量子態(tài)。在量子節(jié)點(diǎn)中，量子計(jì)算機(jī)、量子云服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)量子云計(jì)算任務(wù)，量子安全通信設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)量子密碼功能，量子中繼器用于克服信道損耗和噪聲影響、提升量子態(tài)的傳輸距離進(jìn)而構(gòu)建更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)。

圖1 量子網(wǎng)絡(luò)的一般架構(gòu)示意圖

與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)相協(xié)同，量子網(wǎng)絡(luò)利用量子力學(xué)的基本特性可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的（安全）通信任務(wù)，或通過(guò)分布式計(jì)算提供優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力。量子網(wǎng)絡(luò)為用戶提供了許多傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中無(wú)法提供的功能和服務(wù)，為量子信息技術(shù)提供了大規(guī)模應(yīng)用的平臺(tái)[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在探索量子網(wǎng)絡(luò)的可用性方面做出了巨大努力，然而量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展仍處于初級(jí)階段，由于量子硬件的限制，目前實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高效率的量子網(wǎng)絡(luò)仍面臨許多挑戰(zhàn)。為了全面了解量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，更好地應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，我們根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)手段的不同，將量子網(wǎng)絡(luò)大致分為量子密碼網(wǎng)絡(luò)、量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)3類。

量子密碼網(wǎng)絡(luò)指通過(guò)傳輸量子態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)各類密碼學(xué)任務(wù)的量子網(wǎng)絡(luò)。由于當(dāng)前技術(shù)上最成熟的量子密碼協(xié)議是QKD，所以現(xiàn)階段的量子密碼網(wǎng)絡(luò)通常是基于QKD的保密通信網(wǎng)。在當(dāng)前技術(shù)條件下，該網(wǎng)絡(luò)通常直接在光纖 / 自由空間信道中傳輸量子態(tài)，傳輸距離非常受限。為了提高傳輸距離，往往需要在網(wǎng)絡(luò)中增加“可信中繼”（即假設(shè)為可信的節(jié)點(diǎn)）來(lái)中繼QKD密鑰，而量子通信衛(wèi)星也往往被用來(lái)扮演這種可信中繼的角色。

量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)將昂貴的量子計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施置于云端供網(wǎng)絡(luò)中的用戶使用。它類似于經(jīng)典云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，只不過(guò)其計(jì)算任務(wù)通常需要量子計(jì)算機(jī)來(lái)參與，如多個(gè)量子計(jì)算機(jī)（或者量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典超算）以分布式的形式來(lái)共同完成某個(gè)計(jì)算任務(wù)。由于當(dāng)前技術(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的高保真度和遠(yuǎn)距離傳輸，現(xiàn)階段的量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)往往只是一個(gè)公司或研究機(jī)構(gòu)將量子計(jì)算設(shè)備放在云端供用戶共享使用，網(wǎng)絡(luò)中的通信以經(jīng)典通信為主（傳輸計(jì)算任務(wù)和計(jì)算結(jié)果），量子計(jì)算設(shè)備之間、量子計(jì)算與經(jīng)典超算之間的協(xié)同還不多見(jiàn)。

不難看出，量子態(tài)的遠(yuǎn)距離可靠傳輸問(wèn)題是制約量子密碼網(wǎng)絡(luò)和量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要因素。量子隱形傳態(tài)是一種以糾纏態(tài)為信道來(lái)傳輸量子態(tài)的技術(shù)手段。它首先通過(guò)以光纖 / 自由空間為信道的量子態(tài)傳輸在收發(fā)雙方之間分享糾纏態(tài)，然后發(fā)送方就可以利用該糾纏態(tài)來(lái)傳輸量子比特給接收方（該過(guò)程不再需要在光纖 / 自由空間信道中傳輸量子態(tài)，因此稱為“隱形”）?；诩m纏交換技術(shù)，人們可以實(shí)現(xiàn)真正的量子中繼（即中繼糾纏態(tài)），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)。因此，量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子態(tài)傳輸，被看作是未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)的重要實(shí)現(xiàn)形式，可以被廣泛應(yīng)用于量子密碼（不再需要“可信中繼”，即被假設(shè)為可信的密鑰中繼）和量子云計(jì)算（多個(gè)量子計(jì)算設(shè)備之間可以遠(yuǎn)距離傳輸量子態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同）等各種應(yīng)用場(chǎng)景。

本文圍繞上述3個(gè)方面來(lái)分別綜述量子網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)，然后結(jié)合量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施情況對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理。最后提出我國(guó)在本領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展建議，以期為量子網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性發(fā)展提供參考。

二、量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重點(diǎn)方向研究進(jìn)展

（一）量子密碼網(wǎng)絡(luò)

量子密碼網(wǎng)絡(luò)通過(guò)傳輸量子態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)各類密碼學(xué)任務(wù)，目前已部署的量子密碼網(wǎng)絡(luò)主要是基于QKD的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)安全的QKD協(xié)議為目標(biāo)。QKD是一種通信雙方通過(guò)傳輸量子態(tài)來(lái)獲得一串只有通信雙方共享的密鑰協(xié)議，與一次一密結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)完美安全的保密通信。隨著量子保密通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)在基于QKD的保密通信網(wǎng)絡(luò)方面取得成果。

1. 量子密碼網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展

早在2002年，美國(guó)建成了世界上第一個(gè)QKD網(wǎng)絡(luò)——DARPA QKD網(wǎng)絡(luò)，其具有3個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，分別為美國(guó)BBN科技公司、哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)，傳輸距離為10 km[7]。之后，各國(guó)對(duì)QKD網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化進(jìn)行了一系列研究。例如，2004年，歐盟委員會(huì)的第六框架計(jì)劃（FP6）項(xiàng)目“基于量子密碼的安全通信（SECOQC）”集成了單光子、糾纏光子和連續(xù)變量（CV）光子等多種量子密鑰收發(fā)系統(tǒng)，在西門子股份公司總部和其子公司之間建立了量子通信鏈接[8]；2006年建立的東京量子通信和量子密碼學(xué)（UQCC）QKD測(cè)試網(wǎng)絡(luò)“日本千兆比特網(wǎng)絡(luò)2+（JGN2plus）”最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)到90 km[9]；2021年，俄羅斯建立了莫斯科 - 圣彼得堡量子保密通信干線，全長(zhǎng)達(dá)700 km[10]；2022年，波蘭成功在波茲南和華沙兩座城市之間搭建了一條380 km長(zhǎng)的城際QKD鏈路[11]。

我國(guó)對(duì)QKD網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化的首次研究可追溯至2007年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在北京市構(gòu)建和演示了一個(gè)包括4名用戶的星型拓?fù)淞孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)[12]，最遠(yuǎn)傳輸距離為42.6 km。這是國(guó)際上第一個(gè)全時(shí)全通的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，也是當(dāng)時(shí)國(guó)際上公開(kāi)報(bào)道的唯一無(wú)中轉(zhuǎn)、可同時(shí)、任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。2017年，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開(kāi)通，京滬干線連接北京、上海，途經(jīng)濟(jì)南和合肥，全長(zhǎng)達(dá)2000 km，全線路密鑰率超過(guò)20 kbps[13]。2021年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)演示了一個(gè)基于“墨子號(hào)”的集成空對(duì)地QKD量子通信網(wǎng)絡(luò)，總距離可達(dá)4600 km[14]；同年，該團(tuán)隊(duì)在511 km光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了雙場(chǎng)QKD（TF-QKD），并在無(wú)可信中繼的情況下鏈接濟(jì)南和青島兩城，成為全球首個(gè)無(wú)可信中繼的長(zhǎng)距離光纖QKD網(wǎng)絡(luò)[15]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司、國(guó)科量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司與上海交通大學(xué)等單位合作，在真實(shí)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了后量子密碼算法在QKD網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證中的可行性、效率和穩(wěn)定性[16]，這是國(guó)際首次QKD和后量子密碼融合可用性的現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證。2022年，我國(guó)開(kāi)通了合肥量子城域網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)由中電信量子信息科技集團(tuán)承建、科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司提供核心設(shè)備，具有8個(gè)核心網(wǎng)站點(diǎn)和159個(gè)接入網(wǎng)站點(diǎn)，全長(zhǎng)1147 km，可為近500家單位提供量子安全接入服務(wù)[17]。

以上量子密碼網(wǎng)絡(luò)多基于BB84等離散變量QKD協(xié)議，此類協(xié)議的實(shí)現(xiàn)較為成熟，但是其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)存在傳輸碼率低、對(duì)硬件設(shè)備要求高等問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)更高碼率、更大規(guī)模、距離更長(zhǎng)的量子保密通信，學(xué)者們提出CV-QKD[18]、測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)QKD（MDI-QKD）[19]、TF-QKD[20]等實(shí)現(xiàn)方案。

CV-QKD利用量子力學(xué)中的連續(xù)變量，如光的相位和振幅，來(lái)實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)，可有效提高傳輸碼率。2009年，法國(guó)巴黎大學(xué)光學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)在SECOQC項(xiàng)目的支持下實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)CV-QKD的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)地實(shí)驗(yàn)，通過(guò)一個(gè)損耗為3 dB的信道，平均安全密鑰率達(dá)8 kbps[21]。2019年，北京郵電大學(xué)和北京大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在城域內(nèi)50 km商用光纖鏈路中實(shí)現(xiàn)了CV-QKD，安全密鑰速率比之前的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)[22]。

MDI-QKD協(xié)議利用雙量子干涉選擇糾纏光子對(duì)，不依賴于第三方的測(cè)量設(shè)備的安全性，可有效提高遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的安全性。2013年，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)先后完成光纖信道的MDI-QKD協(xié)議實(shí)驗(yàn)[23,24]。2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成了大氣層內(nèi)19.2 km的MDI-QKD實(shí)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的MDI方案走出了關(guān)鍵的一步[25]。2022年，一種抗環(huán)境干擾的多用戶非可信節(jié)點(diǎn)MDI-QKD組網(wǎng)方案被提出，能夠提高網(wǎng)絡(luò)在多用戶場(chǎng)景下的魯棒性和適應(yīng)性[26]。

TF-QKD將MDI-QKD協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，利用單光子干涉后的探測(cè)作為有效探測(cè)事件，每次用來(lái)成碼的有效探測(cè)所消耗的光子數(shù)比MDI-QKD更少，是近年來(lái)遠(yuǎn)距離QKD的主流發(fā)展方向。2022年，有研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了833 km光纖TF-QKD，將傳輸距離的世界紀(jì)錄提升了200多千米，安全碼率提升了50~1000倍[27]。2023年5月，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，成功實(shí)現(xiàn)了光纖1002 km點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離QKD，創(chuàng)造了光纖無(wú)中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀(jì)錄[28]。2023年6月，北京量子信息科學(xué)研究院、南京大學(xué)物理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)合作，將異步匹配技術(shù)與響應(yīng)過(guò)濾方法引入量子通信，在傳輸距離為201 km下量子密鑰率超過(guò)每秒57 000 bit、傳輸距離為306 km下量子密鑰率超過(guò)每秒5000 bit，創(chuàng)造了城際量子密鑰率的新紀(jì)錄[29]。

2. 量子密碼網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

目前世界各地已部署了多個(gè)基于QKD的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，量子密碼網(wǎng)絡(luò)正朝著更高碼率、更長(zhǎng)距離、更大規(guī)模的商業(yè)化QKD網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。這一發(fā)展趨勢(shì)將使未來(lái)量子密碼網(wǎng)絡(luò)有望在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮作用，并滿足不同規(guī)模和安全性需求的通信要求。與此同時(shí)，相關(guān)研究也面臨如下挑戰(zhàn)。

（1）量子密碼協(xié)議體系：眾所周知，網(wǎng)絡(luò)中信息系統(tǒng)的安全性通常由多種密碼技術(shù)（如密鑰協(xié)商、數(shù)字簽名、身份認(rèn)證、消息認(rèn)證、擲幣、比特承諾、哈希函數(shù)、加密算法等）和安全防護(hù)技術(shù)（如防火墻、病毒查殺等）來(lái)共同保障。然而，量子密碼協(xié)議研究目前處于“QKD遙遙領(lǐng)先、其他協(xié)議難以突破”的不平衡狀態(tài)。根據(jù)木桶原理，簡(jiǎn)單地用QKD協(xié)議替換現(xiàn)有信息系統(tǒng)中的密鑰協(xié)商算法無(wú)法從根本上提高系統(tǒng)整體的安全性。為了實(shí)現(xiàn)全面提升信息系統(tǒng)安全性的目標(biāo)，設(shè)計(jì)實(shí)用化的（QKD之外的）其他量子密碼協(xié)議、健全量子密碼協(xié)議體系變得勢(shì)在必行。比如能否設(shè)計(jì)出實(shí)用的量子數(shù)字簽名、量子兩方安全計(jì)算等關(guān)鍵協(xié)議，以及可與QKD相適配、結(jié)合QKD使用能夠切實(shí)提高系統(tǒng)整體安全性的經(jīng)典密碼算法和協(xié)議，將是量子密碼網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域亟需攻克的重要理論問(wèn)題[30]。

（2）性能提升：盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在QKD實(shí)驗(yàn)方面不斷取得突破性進(jìn)展，但在應(yīng)用場(chǎng)景下QKD系統(tǒng)仍有三個(gè)方面的性能有待提升：① 傳輸速率。為了實(shí)現(xiàn)“信息論安全性”，需要使用一次一密算法來(lái)加密數(shù)據(jù)，這將消耗與所加密數(shù)據(jù)等長(zhǎng)的密鑰。在數(shù)據(jù)量飛速提升的信息爆炸時(shí)代，提升QKD密鑰速率的需求將長(zhǎng)期存在。② 傳輸距離。QKD的傳輸距離直接影響到量子密碼網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。目前QKD的傳輸距離還很受限，通常采用“可信中繼”來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子保密通信。由于密鑰會(huì)在中繼節(jié)點(diǎn)“落地”，一旦這種中繼節(jié)點(diǎn)被敵手控制，則密鑰的安全性將不再存在。因此，進(jìn)一步提升點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD的傳輸距離，減少“可信中繼”的使用勢(shì)在必行。③ 系統(tǒng)的實(shí)際安全性。盡管QKD協(xié)議在理論上可達(dá)到信息安全，但是實(shí)際物理器件存在諸多不完美性，這可能導(dǎo)致QKD系統(tǒng)出現(xiàn)安全漏洞。如何發(fā)現(xiàn)并對(duì)抗這種安全威脅，也是量子密碼網(wǎng)絡(luò)需要長(zhǎng)期面對(duì)的問(wèn)題。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化：量子密碼網(wǎng)絡(luò)存在多種QKD協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式，這種差異可能會(huì)導(dǎo)致互操作性和兼容性方面的問(wèn)題。制定共同的標(biāo)準(zhǔn)，可以確保不同量子密碼系統(tǒng)之間的相互通信和兼容，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加靈活和可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)。2023年8月1日，工業(yè)和信息化部發(fā)布的3項(xiàng)量子保密通信相關(guān)的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《量子保密通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)》（YD/T 4301—2023）、《量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)要求 第1部分：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）功能》（YD/T 4302.1—2023）、《基于IPSec協(xié)議的量子保密通信應(yīng)用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》（YD/T 4303—2023）開(kāi)始實(shí)施[31]。這些標(biāo)準(zhǔn)在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、建設(shè)、運(yùn)維和管理等方面起著重要的指導(dǎo)作用。隨著QKD網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備的不斷改進(jìn)，更新和完善相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也成為推動(dòng)量子密碼網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的研究重點(diǎn)之一。此外，在未來(lái)量子密碼網(wǎng)絡(luò)中，除QKD，其他量子密碼技術(shù)也需制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為大規(guī)模量子密碼網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行提供支撐。

（二）量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)將新興的量子信息資源整合，通過(guò)云計(jì)算的方式給用戶提供計(jì)算服務(wù)，使用云端的量子設(shè)備參與完成分布式計(jì)算任務(wù)，能夠?yàn)橄∪钡牧孔佑?jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)約大量的成本。

1. 量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展

2016年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）提出了首個(gè)免費(fèi)的量子云計(jì)算服務(wù)（Q Experience）。一年后，IBM的量子云平臺(tái)升級(jí)，16量子比特的芯片上線。到目前為止，IBM已經(jīng)在云端推出了20多個(gè)量子處理器，可提供從5個(gè)量子比特到最大127個(gè)量子比特的服務(wù)。國(guó)外目前的量子云計(jì)算平臺(tái)還有DWave公司的Leap、微軟公司的Azure Quantum、亞馬遜公司的Braket、歐洲公共量子計(jì)算平臺(tái)Quantum Inspire、加拿大Xanadu光量子平臺(tái)等[32]。

我國(guó)目前以真實(shí)量子計(jì)算機(jī)為后端的量子云平臺(tái)有中國(guó)科學(xué)院 - 阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的“量子計(jì)算云平臺(tái)”、本源量子計(jì)算云平臺(tái)、北京量子信息科學(xué)研究院“量子未來(lái)-Quafu（夸父）”云平臺(tái)等[32,33]。其中，中國(guó)科學(xué)院 - 阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的“量子計(jì)算云平臺(tái)”在2018年2月接入了11量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算服務(wù)。2021年2月，量子計(jì)算云平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)切換，量子創(chuàng)新研究院聯(lián)合濟(jì)南量子技術(shù)研究院和科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司等對(duì)網(wǎng)站頁(yè)面和功能進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)升級(jí)至12量子比特[32]。2023年5月31日，科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司接入“祖沖之號(hào)”同款176量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，發(fā)布了新一代量子云平臺(tái)[34]。本源量子計(jì)算云平臺(tái)于2020年上線，其后端為本源超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“悟源”，搭載6量子比特超導(dǎo)量子處理器夸父KFC6-130，是國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)工程化的量子計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)[32]。2023年8月15日，本源量子計(jì)算云平臺(tái)接入了搭載了12量子比特“悟空芯”超導(dǎo)量子芯片。2023年5月25日，北京量子信息科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)合作發(fā)布了新一代量子計(jì)算云平臺(tái)“量子未來(lái)-Quafu（夸父）”，其后端最高接入了136量子比特超導(dǎo)量子芯片[33]。

上述量子云計(jì)算平臺(tái)均以真實(shí)計(jì)算機(jī)為后臺(tái)，現(xiàn)階段，量子計(jì)算機(jī)發(fā)展正處于含噪聲中等規(guī)模量子（NISQ）時(shí)代，面臨著研發(fā)成本高、易受噪聲影響、支持的量子比特個(gè)數(shù)較少、難以脫離實(shí)驗(yàn)環(huán)境等問(wèn)題。受這些問(wèn)題限制，學(xué)者們開(kāi)發(fā)了量子云服務(wù)模擬平臺(tái)，通過(guò)模擬量子計(jì)算機(jī)的硬件和軟件行為，提供量子計(jì)算任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。例如，Google量子計(jì)算框架Cirq平臺(tái)、Rigetti公司的Forest云平臺(tái)、BlueQubit量子開(kāi)發(fā)平臺(tái)、本源量子模擬器OriginQ、阿里巴巴“太章”模擬器、華為HiQ量子云平臺(tái)、百度“量槳”量子云平臺(tái)等。其中，Google Cirq平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)72量子比特的量子線路模擬[35]；阿里巴巴研發(fā)的單振幅量子線路模擬器“太章”，可成功模擬81量子比特40層的谷歌隨機(jī)量子線路[36]。

目前，量子云平臺(tái)大都是孤立的量子計(jì)算機(jī)，并沒(méi)有像真正的網(wǎng)絡(luò)一樣做到互聯(lián)互通。實(shí)現(xiàn)未來(lái)互聯(lián)互通的量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要途經(jīng)是分布式量子計(jì)算，即由多個(gè)量子服務(wù)器協(xié)同完成一個(gè)計(jì)算任務(wù)。分布式量子計(jì)算可分為基于隱形傳態(tài)[37]和基于線路拆分[38]的分布式量子計(jì)算兩種類型?；陔[形傳態(tài)的分布式計(jì)算面向容錯(cuò)量子計(jì)算，通過(guò)隱形傳態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片間的通信，需要量子信道和經(jīng)典信道。在算法設(shè)計(jì)方面，學(xué)者們已提出了分布式量子均值估計(jì)算法[39]和分布式Shor算法[40]等。在硬件實(shí)現(xiàn)方面，由于隱形傳態(tài)技術(shù)尚不成熟，多體系的分布式計(jì)算平臺(tái)仍在研究中。近期，有研究團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Deutsch-Jozsa算法和量子相位估計(jì)的遠(yuǎn)距離分布式計(jì)算演示[41]?；诰€路拆分的分布式計(jì)算將大規(guī)模的量子線路拆分成可在NISQ設(shè)備上運(yùn)行的多個(gè)小規(guī)模的子線路，通過(guò)經(jīng)典信道實(shí)現(xiàn)芯片間通信。此類分布式計(jì)算可分為比特拆分方法和門拆分方法，分別通過(guò)切割量子比特和兩比特門實(shí)現(xiàn)對(duì)量子線路的拆分，已被應(yīng)用于變分量子特征求解器[42]和量子近似優(yōu)化算法[43]。

2. 量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)為公眾提供了量子計(jì)算資源，同時(shí)也為企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的量子計(jì)算解決方案，降低了量子計(jì)算的成本和風(fēng)險(xiǎn)，使更多的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)可以利用量子計(jì)算技術(shù)來(lái)解決業(yè)務(wù)問(wèn)題和科學(xué)研究問(wèn)題，促進(jìn)了量子計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。其發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)如下。

一是量子算法。量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)需要有效的量子算法以提高可用性。一些量子算法[3,4]已被證明在理論上具有顯著加速效果，這些算法或可在未來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。然而，現(xiàn)有的量子算法還很少，其中還有很大一部分算法尚不能在當(dāng)前的NISQ設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。因此，不管是為了探索量子計(jì)算的能力邊界，還是為了給量子計(jì)算找到更多應(yīng)用場(chǎng)景，量子算法的設(shè)計(jì)都是需要解決的重要問(wèn)題。就目前來(lái)看，如何設(shè)計(jì)可在NISQ設(shè)備上運(yùn)行的量子算法以及研究尋找當(dāng)前NISQ設(shè)備能有效解決的實(shí)際問(wèn)題對(duì)于探索當(dāng)前量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的可用性具有重要作用和價(jià)值。此外，分布式量子計(jì)算對(duì)于充分利用量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的量子計(jì)算能力具有重要意義。受當(dāng)前量子設(shè)備限制，其研究仍處于起步階段。如何設(shè)計(jì)分布式量子算法也是量子云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)之一。

二是量子計(jì)算的硬件性能。量子云平臺(tái)目前存在多種量子比特的物理實(shí)現(xiàn)方案，但受限于嚴(yán)苛的物理?xiàng)l件，即使最先進(jìn)的超導(dǎo)量子比特方案也只能實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)物理比特的制備和操控，且可實(shí)現(xiàn)的邏輯門保真度和深度都非常受限[44]。到目前為止，研究者還難以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量子比特的糾錯(cuò)，尚未得到一個(gè)邏輯量子比特，距離實(shí)用化算法所需的硬件性能尚有距離。提高量子計(jì)算硬件的各項(xiàng)性能是量子計(jì)算領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。

（三）量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)

量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要是基于EPR糾纏對(duì)的量子非局域關(guān)聯(lián)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的遠(yuǎn)距離、高保真度傳輸。該網(wǎng)絡(luò)的基本原理是利用量子糾纏分發(fā)、量子糾纏交換等技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中建立起一些量子糾纏信道，使得兩個(gè)遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)之間可以利用隱形傳態(tài)技術(shù)來(lái)傳輸量子態(tài)。目前對(duì)量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，并未實(shí)際部署。

1. 量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展

1997年，有研究團(tuán)隊(duì)完成了世界上第一個(gè)獨(dú)立光子偏振態(tài)的量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[45]，該工作入選了《Nature》雜志“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。隨后，相關(guān)團(tuán)隊(duì)演示了終端開(kāi)放的量子隱形傳態(tài)[46]、兩光子復(fù)合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài)[47]以及單光子多自由度的隱形傳態(tài)[48]，基于“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，將量子隱形傳態(tài)的距離推進(jìn)至千千米量級(jí)[49]。2019年，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)合作，首次成功實(shí)現(xiàn)高維量子體系的隱形傳態(tài)[50]。

近幾年，國(guó)內(nèi)外其他研究團(tuán)隊(duì)在光子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中也有所突破。2020年，華東師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用前期發(fā)展的光學(xué)軌道角動(dòng)量復(fù)用的連續(xù)變量糾纏源結(jié)合全光量子隱形傳態(tài)協(xié)議，在國(guó)際上首次成功構(gòu)建了多通道復(fù)用的全光量子隱形傳態(tài)協(xié)議[51]。2021年，德國(guó)馬克斯 - 普朗克量子光學(xué)研究所的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原則上是無(wú)條件的量子隱形傳態(tài)協(xié)議，只需要一個(gè)光子作為預(yù)先準(zhǔn)備的資源，不需要預(yù)共享糾纏量子比特對(duì)[52]。

除光子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)外，2006年，丹麥哥本哈根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了光與原子系綜（銫原子團(tuán)）之間的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)[53]，平均保真度接近60%。2012年，有團(tuán)隊(duì)在首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了光子與原子之間的百余千米自由空間隱形傳態(tài)[54]。2013年，馬克斯 - 普朗克研究所實(shí)驗(yàn)演示了兩個(gè)單原子之間的隱形傳態(tài)，實(shí)現(xiàn)了（88.0±1.5）%的保真度[55]。2014年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)演示了在相隔3 m的金剛石自旋量子比特之間的任意量子態(tài)的無(wú)條件隱形傳態(tài)[56]。2022年，代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了金剛石氮 - 空位（NV）色心三節(jié)點(diǎn)線路中的跨節(jié)點(diǎn)隱形傳態(tài)，效率約為117 s/次，保真度為70.2%[57]。

2. 量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

在未來(lái)的量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)將通過(guò)量子中繼器共享糾纏，形成量子糾纏鏈路，實(shí)現(xiàn)安全的遠(yuǎn)距離信息傳輸。為實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更大規(guī)模的量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)，目前面臨的挑戰(zhàn)如下。

（1）量子態(tài)的遠(yuǎn)距離傳輸：由于信道損耗和噪聲的影響，量子態(tài)的傳輸質(zhì)量會(huì)隨傳輸距離的增加而下降，使量子態(tài)的遠(yuǎn)距離傳輸成為難題。為克服這一問(wèn)題，學(xué)者們提出量子中繼器的思想[58,59]，將遠(yuǎn)距離量子鏈路劃分為多個(gè)較短且損耗較小的鏈路。量子中繼器的實(shí)現(xiàn)依賴于糾纏分發(fā)、糾纏交換、糾纏純化（或量子糾錯(cuò)）和量子存儲(chǔ)等技術(shù)。盡管這些技術(shù)在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面已經(jīng)取得了部分進(jìn)展，但仍然存在一些問(wèn)題需要克服。例如，糾纏分發(fā)需要解決信道噪聲等問(wèn)題；糾纏交換和量子糾錯(cuò)需要高保真度的量子門等。這些問(wèn)題使量子中繼器離實(shí)用化還有一段距離，限制了大規(guī)模量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

（2）量子態(tài)的高性能存儲(chǔ)：量子中繼方案的實(shí)現(xiàn)需要各相鄰節(jié)點(diǎn)間存儲(chǔ)大量的共享糾纏態(tài)，需要高性能的量子存儲(chǔ)器。當(dāng)前量子存儲(chǔ)器已在多個(gè)量子體系中實(shí)現(xiàn)，但不同體系具有不同的優(yōu)勢(shì)和缺陷，很難同時(shí)達(dá)到滿足實(shí)際量子態(tài)傳輸?shù)母黜?xiàng)要求。例如，基于冷原子的量子存儲(chǔ)器常利用光學(xué)晶格以獲得較長(zhǎng)的存儲(chǔ)壽命，但會(huì)使存儲(chǔ)效率受限[60]；基于稀土摻雜晶體的量子存儲(chǔ)器具有易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，但是在存儲(chǔ)時(shí)間和效率上還需要進(jìn)一步提升[61]。因此，深入研究不同的物理體系，尋找更優(yōu)的量子存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)方案對(duì)于量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究至關(guān)重要。

三、量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及攻關(guān)要點(diǎn)

根據(jù)量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和實(shí)施，我們將關(guān)鍵技術(shù)歸納為四個(gè)方面：鏈路建立技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)和物理硬件技術(shù)。其中，鏈路建立技術(shù)包括用于生成糾纏態(tài)的糾纏生成技術(shù)與用于在遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)處建立糾纏鏈路的遠(yuǎn)程糾纏建立技術(shù)。信息傳輸技術(shù)用于提高信息傳輸效率，包括信道復(fù)用技術(shù)和量子接口技術(shù)。其中，信道復(fù)用技術(shù)可以提高信道的利用率，量子接口技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)不同類型量子系統(tǒng)之間的信息交換。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)用于保證網(wǎng)絡(luò)各部分的協(xié)同運(yùn)作，主要包括量子網(wǎng)絡(luò)堆棧和量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兩部分。物理硬件技術(shù)包括用于存儲(chǔ)量子態(tài)的量子存儲(chǔ)器和用于擴(kuò)展傳輸距離的量子中繼器。

（一）量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)鏈路建立技術(shù)

1. 糾纏生成技術(shù)

糾纏生成是指在量子系統(tǒng)中，通過(guò)一些操作使兩個(gè)或多個(gè)量子比特之間產(chǎn)生糾纏。在量子通信中，光子糾纏態(tài)是量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵資源。產(chǎn)生糾纏光子對(duì)最為便捷的一種方法是自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）過(guò)程。SPDC描述了一個(gè)二階非線性過(guò)程[62,63]，其中一個(gè)泵浦光子與一個(gè)非線性介質(zhì)相互作用，并分裂成兩個(gè)能量較小的光子。在多光子實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用最廣泛的是偏振糾纏SPDC源，包括I型匹配糾纏源[64]、II型匹配糾纏源[65]、三明治型糾纏源[66]、貝爾干涉態(tài)型糾纏源[67]等。除光子糾纏生成外，糾纏生成技術(shù)還有原子量子比特糾纏生成[68]、超導(dǎo)量子比特糾纏生成[69]等。其中，原子糾纏生成基于腔量子電動(dòng)力學(xué)（QED），通過(guò)原子間相互作用來(lái)生成的糾纏態(tài)，可通過(guò)冷原子、離子阱、原子波導(dǎo)等體系來(lái)實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)量子比特糾纏生成基于線路QED，通過(guò)量子門操作和控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建高維、大尺寸糾纏是糾纏生成技術(shù)必然的發(fā)展趨勢(shì)。目前，大多數(shù)量子糾纏生成方法都依賴于高效的糾纏光子源，這些糾纏光子源被視為量子力學(xué)中的必要工具。雖然光子糾纏在糾纏生成中廣泛利用，但是在實(shí)現(xiàn)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中依然存在很多障礙，包括更穩(wěn)定高效的糾纏光源、單光子的存儲(chǔ)、量子態(tài)的測(cè)量以及多光子高緯度糾纏等[70]。此外，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子信息處理技術(shù)，需將簡(jiǎn)單靈活的量子實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展至集成光學(xué)器件上，這使多光子源的集成成為當(dāng)前研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2. 遠(yuǎn)程糾纏建立技術(shù)

遠(yuǎn)程糾纏建立是指在兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間建立共享糾纏對(duì)（即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)各存有糾纏對(duì)中的1個(gè)量子比特）的過(guò)程。遠(yuǎn)程糾纏建立主要包括糾纏分發(fā)、糾纏交換和糾纏蒸餾三個(gè)部分。其中，糾纏分發(fā)是指將生成的糾纏態(tài)中的兩個(gè)量子比特分別分發(fā)送給兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)。受信道損耗的影響，糾纏分發(fā)的距離相對(duì)較近。糾纏交換可以將相鄰節(jié)點(diǎn)間共享糾纏態(tài)轉(zhuǎn)化為（相距較遠(yuǎn)的）非相鄰節(jié)點(diǎn)間的共享糾纏態(tài)。糾纏蒸餾將多個(gè)（受信道噪聲影響而導(dǎo)致的）低質(zhì)量的糾纏對(duì)進(jìn)行一系列操作，從而得到一個(gè)高質(zhì)量的糾纏對(duì)。

在遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)中，糾纏態(tài)需要通過(guò)常規(guī)信道（如光纖）進(jìn)行傳輸。在實(shí)驗(yàn)中，人們已實(shí)現(xiàn)了光[71]、離子阱[72]、超導(dǎo)[73]、量子點(diǎn)[74]和冷原子[75]等量子比特的糾纏分發(fā)。然而，隨著距離的增加，信道中存在的噪聲、衰減和損耗等因素會(huì)導(dǎo)致糾纏質(zhì)量下降。因此，如何在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中有效地保持糾纏態(tài)的質(zhì)量是一個(gè)難題。此外，糾纏分發(fā)的速度對(duì)于實(shí)際應(yīng)用非常重要。然而，在目前的糾纏分發(fā)方案中，實(shí)現(xiàn)高速的糾纏分發(fā)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，在光子對(duì)的糾纏分發(fā)中，光子之間的相互作用和光子之間的噪聲限制了分發(fā)速度。

糾纏交換通過(guò)量子測(cè)量和量子操作，可以使分別共享于（相鄰節(jié)點(diǎn)）A-B和B-C之間的2對(duì)糾纏態(tài)轉(zhuǎn)化為（非相鄰節(jié)點(diǎn)）A-C之間的1對(duì)糾纏態(tài)。在糾纏交換實(shí)驗(yàn)中目前已實(shí)現(xiàn)了光[76]、原子[77]和超導(dǎo)[78]等量子比特的糾纏交換。目前糾纏交換技術(shù)存在的攻關(guān)要點(diǎn)主要在三個(gè)方面：測(cè)量方案優(yōu)化、量子門操作優(yōu)化、噪聲和干擾控制。通過(guò)優(yōu)化測(cè)量方案，可提高糾纏交換的成功率和效率。在這一方面，已有很多學(xué)者從不同方面提高了量子測(cè)量的準(zhǔn)確性和速度等，如利用壓縮感知技術(shù)減少測(cè)量次數(shù)提高測(cè)量效率[79]、通過(guò)最小化測(cè)量誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的量子測(cè)量[80]等。量子門操作優(yōu)化的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高效的量子門操作，可加快糾纏交換速度。采用噪聲抑制技術(shù)和干擾隔離方法實(shí)現(xiàn)干擾控制，可減小對(duì)糾纏交換的負(fù)面影響。

糾纏蒸餾旨在將大量糾纏度較低的共享糾纏態(tài)中“蒸餾”出少量糾纏度更高的糾纏態(tài)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，糾纏蒸餾可以分為離散變量和連續(xù)變量?jī)煞N。在離散變量的糾纏蒸餾中，常用的方法是利用量子門操作和測(cè)量來(lái)提高糾纏度[81]。基于連續(xù)變量的糾纏蒸餾利用了連續(xù)變量之間的糾纏性質(zhì)。例如，可以通過(guò)使用光子對(duì)兩個(gè)高斯模式進(jìn)行干涉來(lái)制備更強(qiáng)的糾纏態(tài)[82]。目前的研究工作主要集中在如何有效地控制操作和如何克服噪聲等問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)高保真度、高效率的糾纏蒸餾。為了解決這一問(wèn)題，研究人員采用噪聲抑制技術(shù)和誤差控制方法來(lái)減少或抵消與蒸餾過(guò)程相關(guān)的噪聲和誤差[83,84]。此外，糾纏蒸餾協(xié)議的設(shè)計(jì)也是需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，這包括選擇適當(dāng)?shù)牧孔娱T操作、測(cè)量方案和反饋控制策略。

（二）量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息傳輸技術(shù)

1. 信道復(fù)用技術(shù)

信道復(fù)用技術(shù)指量子信號(hào)與經(jīng)典信號(hào)在同一根光纖中傳輸?shù)募夹g(shù)。該技術(shù)可簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著提高信道利用率，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。常用的經(jīng)典 - 量子信道復(fù)用技術(shù)有波分復(fù)用（WDM）和空分復(fù)用（SDM）兩種。

WDM技術(shù)是將不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器匯合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端再經(jīng)解復(fù)用器將各種波長(zhǎng)的光分離。在WDM技術(shù)中，需解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是降低噪聲干擾。目前的信道復(fù)用方案常采用波長(zhǎng)隔離、窄帶濾波、時(shí)域?yàn)V波等各類技術(shù)手段降低噪聲干擾，形成了較遠(yuǎn)波長(zhǎng)隔離[85]和同波段傳輸[86,87]兩類主流方案。較遠(yuǎn)波長(zhǎng)隔離方案相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但通信距離較短，適用于短距離高密度局域網(wǎng)的建設(shè)；而同波段傳輸方案的建設(shè)成本較高，但具備更遠(yuǎn)的通信距離和較大的提升潛力，可作為構(gòu)建量子城域網(wǎng)的參考方案[88]。

SDM技術(shù)基于能夠支持多個(gè)空間橫向光傳播模式的光纖，為每個(gè)模式分配一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，從而增加了光纖容量?？辗謴?fù)用光纖主要有多芯光纖、少模光纖、少模 - 多芯光纖以及環(huán)形光纖[89]。復(fù)用器和解復(fù)用器用于將不同的數(shù)據(jù)流組合和拆分到SDM光纖中的相應(yīng)空間信道中。已有研究將復(fù)用器和解復(fù)用器集成在光纖或者光子芯片上[90~92]。SDM光纖的成本較低可以實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。已有許多實(shí)驗(yàn)證明使用空分復(fù)用光纖實(shí)現(xiàn)空間模式的量子糾纏可以實(shí)現(xiàn)更高維度的QKD[93~95]。但實(shí)現(xiàn)更高維度的數(shù)百千米的傳播距離的量子QKD仍是信道復(fù)用技術(shù)目前面臨的攻關(guān)難點(diǎn)之一。此外，在實(shí)際的量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，信道復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用還應(yīng)解決諸多工程問(wèn)題，如量子網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的兼容、光纖中產(chǎn)生的非線性噪聲引起的高誤碼率等。

2. 量子接口技術(shù)

量子接口可完成量子存儲(chǔ)器中靜態(tài)比特和信道中動(dòng)態(tài)比特的轉(zhuǎn)換，是未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的元件。動(dòng)態(tài)比特通常是光量子比特，便于傳輸和接收量子信息。靜態(tài)量子比特通常采用超導(dǎo)電路、離子阱、量子點(diǎn)等物理體系實(shí)現(xiàn)，它們易于長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。

量子接口技術(shù)的核心是將不同類型的量子系統(tǒng)進(jìn)行耦合和相互作用。腔QED是物理學(xué)家研究光和物質(zhì)在量子水平上相互作用的原型系統(tǒng)。1997年，研究者提出了一個(gè)基于腔QED的原子 - 光子接口，由耦合在兩能級(jí)原子上的高質(zhì)量光腔構(gòu)成[96]。之后，對(duì)基于腔QED的原子 - 光子接口的研究不斷發(fā)展。目前已有的用于原子 - 光子接口的常用介質(zhì)有室溫氣體[97]、冷原子[98]、固態(tài)[99]、原子晶格[100]、離子阱[101]等。腔QED也被擴(kuò)展到其他情形，如量子點(diǎn)耦合到微柱和光子帶隙腔、庫(kù)伯對(duì)與超導(dǎo)共振器的相互作用（即線路QED）[102]?；谶@些相互作用可實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn) - 光接口[103]和微波光子 - 光接口[104]。

量子網(wǎng)絡(luò)中量子接口包括3個(gè)攻關(guān)要點(diǎn)：波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換效率和集成。其中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是在量子網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)不同體系量子節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的必要技術(shù)，需要解決不同節(jié)點(diǎn)之間的工作波長(zhǎng)和帶寬的差異。轉(zhuǎn)換速度的影響因素主要包括光學(xué)器件效率和不同量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換和匹配。不同量子態(tài)間轉(zhuǎn)換和匹配需要電光調(diào)制器（EOM）。為實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，通常使用具有GHz帶寬的光纖EOM[105]。為了進(jìn)一步提升速度，一些研究者采用全光開(kāi)關(guān)的方式，利用光來(lái)代替電實(shí)現(xiàn)THz級(jí)帶寬[106~108]。但這兩種方式都依賴于光纖的非線性特性，并需要將光從自由空間耦合到光纖中，這必然會(huì)導(dǎo)致較高的信號(hào)損耗。量子接口集成將不同類型的量子系統(tǒng)連接在一起，需要解決量子系統(tǒng)之間的耦合、噪聲和退相干等問(wèn)題。2018年，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏[109]，而此前記錄是加州理工學(xué)院研究組[110]保持的4個(gè)。

（三）量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)

1. 量子網(wǎng)絡(luò)堆棧

與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)類似，量子網(wǎng)絡(luò)堆棧是從量子網(wǎng)絡(luò)底層物理實(shí)現(xiàn)中抽象出來(lái)的分層模型，每層通過(guò)特定的量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供一些通信功能[111]。通過(guò)設(shè)計(jì)量子網(wǎng)絡(luò)堆棧，可以進(jìn)一步完善量子網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，并為量子網(wǎng)絡(luò)的建立制定標(biāo)準(zhǔn)。目前學(xué)者們提出了基于鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[112~115]、集群的主從式量子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[116]和針對(duì)圖態(tài)網(wǎng)絡(luò)[117]的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧。量子網(wǎng)絡(luò)堆棧的不同層負(fù)責(zé)不同的網(wǎng)絡(luò)功能，共同實(shí)現(xiàn)信息傳輸任務(wù)。

建立量子網(wǎng)絡(luò)堆棧需要面對(duì)一個(gè)基本問(wèn)題，即量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的交互。在量子網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間會(huì)存在兩種連接方式：物理連接（通過(guò)物理信道連接）和虛擬連接（通過(guò)糾纏信道連接）。這兩種連接方式都需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的緊密合作和協(xié)調(diào)，這涉及到經(jīng)典信號(hào)的傳遞。因此，量子互聯(lián)網(wǎng)不太可能在功能上獨(dú)立于經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)由于物理連接和虛擬連接的存在，在量子網(wǎng)絡(luò)堆棧會(huì)出現(xiàn)跨層交互。跨層交互或可通過(guò)定義經(jīng)典 - 量子接口實(shí)現(xiàn)，利用現(xiàn)有的經(jīng)典功能通過(guò)經(jīng)典控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典 - 量子交叉層[118]。此外，在評(píng)估量子網(wǎng)絡(luò)堆棧中的各層性能時(shí)，需確定最能表征堆棧每一層性能的參數(shù)。當(dāng)涉及到糾纏時(shí)，經(jīng)典通信和量子通信之間存在嚴(yán)格的相互作用，如生成和糾纏資源時(shí)，其生成速率在性能評(píng)估中起著關(guān)鍵作用，同時(shí)所需的經(jīng)典控制命令受到經(jīng)典比特吞吐量的限制，因此在確定參數(shù)時(shí)應(yīng)根據(jù)堆棧功能同時(shí)考慮量子度量與經(jīng)典度量[118]。

2. 量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行各個(gè)階段的功能，是保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠的基礎(chǔ)。目前對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究集中于網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，包括糾纏路由協(xié)議與密鑰路由協(xié)議。糾纏路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上選擇一條建立遠(yuǎn)程糾纏的最優(yōu)路徑，常用度量標(biāo)準(zhǔn)有糾纏生成時(shí)間[119]、糾纏保真度[120]、端到端糾纏率[121,122]、糾纏生成率[123~125]、網(wǎng)絡(luò)吞吐量[126~128]等。密鑰路由協(xié)議通過(guò)選擇合適的路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)QKD網(wǎng)絡(luò)量子節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡，對(duì)其研究多通過(guò)改進(jìn)經(jīng)典路由協(xié)議以適應(yīng)QKD網(wǎng)絡(luò)。例如，DARPA QKD網(wǎng)絡(luò)使用開(kāi)放最短路徑優(yōu)先（OSPF）協(xié)議作為密鑰路由協(xié)議[7,129]，歐洲SECOQC網(wǎng)絡(luò)使用升級(jí)版的OSPF-v2協(xié)議[130]等。也有學(xué)者針對(duì)QKD網(wǎng)絡(luò)特性，以傳輸跳數(shù)[131]、剩余密鑰量[132]等為路由度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)密鑰路由協(xié)議。除網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議之外，還有圖態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議[133]、量子數(shù)據(jù)平面協(xié)議[134]等。這些協(xié)議與特定量子網(wǎng)絡(luò)堆棧相關(guān)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堆棧定義的具體功能。如圖態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議位于Pirker等人提出的量子網(wǎng)絡(luò)堆棧的鏈路層，用于在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)分發(fā)量子態(tài)和生成目標(biāo)圖態(tài)。

與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比，量子網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議更為復(fù)雜。如何綜合考慮各種因素，構(gòu)造合適的路由度量標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)量子網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的難點(diǎn)之一[135]。針對(duì)糾纏路由協(xié)議，其路由度量不僅必須根據(jù)路徑長(zhǎng)度、成本和吞吐量計(jì)算路徑，而且還必須考慮所需的端到端保真度。此外，更高保真度的糾纏鏈路需要更多的時(shí)間來(lái)產(chǎn)生，這在確定路由度量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也必須考慮到。對(duì)于密鑰路由協(xié)議，還需考慮剩余密鑰數(shù)量、密鑰生成速率、路由安全性等因素。量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)也需要考慮退相干的影響，滿足量子網(wǎng)絡(luò)的高同步與低時(shí)延要求。此外，目前量子網(wǎng)絡(luò)的研究基于單一硬件平臺(tái)的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[134]。然而，未來(lái)的量子網(wǎng)絡(luò)將不可避免地包括各種各樣的物理平臺(tái)，導(dǎo)致量子節(jié)點(diǎn)和鏈路的退相干和量子態(tài)保真度等參數(shù)存在差異，需要做更多的工作來(lái)了解混合量子網(wǎng)絡(luò)中量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能。

（四）量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)物理硬件技術(shù)

1. 量子存儲(chǔ)器

量子存儲(chǔ)器是一種能夠按照需要進(jìn)行存儲(chǔ)和讀出量子態(tài)的物理設(shè)備，在量子網(wǎng)絡(luò)中扮演著非常重要的角色。量子存儲(chǔ)器的研究目標(biāo)是要達(dá)到長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間、高保真度、高存取效率、大存儲(chǔ)帶寬、多模容量以及可以按需讀出的實(shí)用化標(biāo)準(zhǔn)[136]。目前，量子存儲(chǔ)器已經(jīng)在多個(gè)體系中實(shí)現(xiàn)，包括原子體系（冷原子[137]與室溫原子[138]）、固態(tài)體系（金剛石NV色心[139]和稀土摻雜晶體[61,140,141]）、單量子系統(tǒng)（單原子[142]和單離子[143]）等。所采用的量子存儲(chǔ)協(xié)議包括電磁誘導(dǎo)透明協(xié)議[144]、原子頻率梳協(xié)議[145]、光子回波協(xié)議[146]等。

近年來(lái)，量子存儲(chǔ)器在各項(xiàng)性能指標(biāo)上均有所突破，例如，基于冷原子的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)效率最高可達(dá)到90.6%[137]；基于稀土摻雜晶體的量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)時(shí)間已超1 h[140]，存儲(chǔ)模式最高可達(dá)1650[141]。但是，仍然沒(méi)有物理體系能夠同時(shí)達(dá)到可實(shí)用化的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，提升量子存儲(chǔ)的綜合性能還需要做大量的探索研究。

2. 量子中繼器

量子中繼器是量子網(wǎng)絡(luò)中的核心部件，集成了量子存儲(chǔ)、糾纏生成和建立、量子接口等技術(shù)，通過(guò)分段糾纏分發(fā)與糾纏交換來(lái)拓展通信距離[58,59]。目前，量子中繼器的研究主要有兩類趨勢(shì)：提出新的中繼方案，進(jìn)一步降低其技術(shù)要求，如DLCZ方案[59]、全光子量子中繼器方案[147,148]、基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼[149,150]等；提高量子存儲(chǔ)器、光子探測(cè)器、糾纏生成源等基本元件的技術(shù)指標(biāo)，使其接近主流中繼方案的技術(shù)需求。

在量子中繼器的研究中，克服光子損耗和操作誤差的影響是提高量子中繼效率的關(guān)鍵問(wèn)題[151]?，F(xiàn)有的解決方法包括預(yù)示糾纏生成（HEG）[152]、預(yù)示糾纏純化（HEP）[153]和量子糾錯(cuò)（QEC）[154]。其中，HEG和HEP通過(guò)一系列測(cè)量和操作后確定地獲得所需的量子糾纏態(tài)，但需要雙向經(jīng)典通信，受到通信速率的限制，且HEP會(huì)使通信時(shí)間隨著距離呈指數(shù)增長(zhǎng)。QEC方法使用量子奇偶校驗(yàn)碼（QPC）[155]、CSS碼[156]等糾錯(cuò)碼來(lái)克服噪聲的影響，需要高保真度的量子門操作。因此，上述方法的實(shí)現(xiàn)均具有較高的技術(shù)難度。

四、對(duì)我國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相關(guān)研究的建議

量子網(wǎng)絡(luò)是能夠賦能量子通信和量子計(jì)算等領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施，是未來(lái)信息技術(shù)發(fā)展的重要方向。目前，量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展距離大規(guī)模使用還存在一定距離，仍有許多技術(shù)瓶頸亟需攻克。近年來(lái)，各國(guó)紛紛加大對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)的研究和投入。我國(guó)應(yīng)抓住發(fā)展機(jī)遇，加強(qiáng)基礎(chǔ)硬件研發(fā)與理論研究的投入，實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)硬件的國(guó)產(chǎn)化，突破關(guān)鍵瓶頸，以掌握主動(dòng)權(quán)，提高科技硬實(shí)力；加強(qiáng)交叉學(xué)科人才培養(yǎng)，建立系統(tǒng)的綜合研究體系，以推動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用，為我國(guó)的科技創(chuàng)新注入新的動(dòng)力。

（一）加強(qiáng)基礎(chǔ)硬件設(shè)施研發(fā)投入

量子中繼器和量子存儲(chǔ)器等基礎(chǔ)硬件設(shè)施在量子網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，是建設(shè)大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的核心。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于量子中繼器和量子存儲(chǔ)器的研究存在多種技術(shù)路徑，仍處于探索階段。相關(guān)基礎(chǔ)硬件設(shè)施的進(jìn)一步發(fā)展需要世界各國(guó)的重視和持續(xù)投入。

目前，我國(guó)科研人員在全光量子中繼器、基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼器和基于冷原子、稀土摻雜晶體等物理體系的量子存儲(chǔ)器的研究中取得了一定突破，而對(duì)于其他物理體系的研究相對(duì)薄弱。在量子發(fā)展的初期階段，我國(guó)應(yīng)抓住發(fā)展時(shí)機(jī)，厘清國(guó)際技術(shù)發(fā)展形勢(shì)，補(bǔ)齊短板，篩選優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域以取得進(jìn)一步突破，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)硬件的國(guó)產(chǎn)化，減少核心設(shè)備受制于人的風(fēng)險(xiǎn)。因此，加強(qiáng)對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施研究的投入，掌握核心技術(shù)的自主研發(fā)和生產(chǎn)，對(duì)于提高我國(guó)在量子信息領(lǐng)域的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。

（二）重視量子網(wǎng)絡(luò)理論研究

量子網(wǎng)絡(luò)的理論研究包括量子密碼協(xié)議和量子算法等。其中，量子密碼協(xié)議是建立安全量子密碼網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。目前只有QKD較為成熟，但其他量子密碼協(xié)議仍處于瓶頸期，這導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中很難全面提升信息系統(tǒng)的安全性。因此，設(shè)計(jì)實(shí)用化的其他量子密碼協(xié)議，健全量子密碼協(xié)議體系是目前量子密碼網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重中之重。量子算法在探索量子計(jì)算的能力邊界和發(fā)掘量子網(wǎng)絡(luò)的可用性方面起到了重要作用，然而目前已知的有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的代表性量子算法還很少。無(wú)論是實(shí)用化量子密碼協(xié)議還是量子算法，相關(guān)理論交叉性強(qiáng)、難度大，需要科研人員發(fā)揮“甘坐冷板凳”的精神，長(zhǎng)期潛心研究。

然而，我國(guó)對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)理論研究的重視程度尚有明顯不足。一些對(duì)科研人員的考核標(biāo)準(zhǔn)，片面追求短期成果和經(jīng)費(fèi)數(shù)量，使從事上述高難度理論研究的學(xué)者舉步維艱?；谏鲜銮闆r，建議高度重視量子網(wǎng)絡(luò)理論研究，優(yōu)化相關(guān)考核機(jī)制，以營(yíng)造良好的研究氛圍，助力科研人員的全身心投入，推動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)的理論發(fā)展。

（三）加強(qiáng)交叉學(xué)科研究和相關(guān)人才培養(yǎng)

量子網(wǎng)絡(luò)涵蓋物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、密碼學(xué)等多個(gè)學(xué)科，研究難度大且極具挑戰(zhàn)性，未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)也將是一項(xiàng)浩大的工程。為了在相關(guān)研究方面走在世界前列，需要大量具備多學(xué)科背景的交叉型、復(fù)合型人才。

推動(dòng)我國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)領(lǐng)域的健康發(fā)展，需要加強(qiáng)跨學(xué)科人才的培養(yǎng)，通過(guò)良好的科研條件和政策激勵(lì)來(lái)吸引更多學(xué)者從事相關(guān)研究，尤其是現(xiàn)階段我國(guó)還存在短板的研究方向。此外，以跨領(lǐng)域合作項(xiàng)目為牽引，舉辦交叉領(lǐng)域的研討會(huì)，有助于促進(jìn)不同學(xué)科研究者的交流與合作。

致謝

感謝李廣輝、李凌霄、魏東梅、張雪、趙秀美等課題組成員對(duì)本文撰寫的協(xié)助。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財(cái)務(wù)沖突。

Received date:October 11, 2023;

Revised date:October 30, 2023

Corresponding author:Gao Fei is a professor from the State Key Laboratory of Networking and Switching Technology (Beijing University of Posts and Telecommunications). His major research fields include quantum cryptography and quantum algorithms. E-mail: gaof@bupt.edu.cn

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Strategic Research on the Development of Quantum Information Network” (2022-HYZD-01)