量子網絡系統研究進展與關鍵技術分析

李靜，高飛，秦素娟，溫巧燕，張平

（網絡與交換技術國家重點實驗室（北京郵電大學），北京 100876）

一、前言

量子信息科學是量子力學與信息技術相結合的一門新興交叉學科，近年來已發展成為科技領域關注的焦點之一。量子信息科學主要包括量子通信、量子計算和量子測量等研究領域。量子通信，從字面上來講，指傳輸量子態的通信形式，如直接在信道中傳輸量子比特，或者利用糾纏態為信道傳輸量子信息（稱作量子隱形傳態[1]）。由于當前的量子通信技術主要被應用于密鑰分配，所以人們常聽到的“量子通信”往往特指量子密鑰分配（QKD）[2]或者基于QKD的（用來傳輸經典消息的）保密通信。不同于傳統密碼學中的密鑰分配協議，QKD的安全性由物理原理來保證，理論上可達到信息論安全，因此具有獨特的優勢。人們也嘗試將量子力學性質應用于完成其他密碼學任務（以期獲得同樣的安全性優勢），如秘密共享、身份認證、數字簽名、擲幣、比特承諾等，相關研究屬于量子密碼學的范疇。量子計算是通過調控量子信息物理單元來進行并行計算的一種先進計算模式，相比經典計算，在求解某些特定問題上已展現出了顯著的速度優勢，如整數分解[3]、無序數據搜索[4]等。

量子網絡是量子通信和量子計算相結合的產物，被認為是量子信息技術發展的最終目標[5]；作為由網絡節點和信道所構成的通信網絡，可連接量子計算機與其他量子設備，其基本結構如圖1所示[6]。通信信道包括經典信道與量子信道（光纖/自由空間），其中經典信道用于傳輸經典信息，量子信道用于傳輸量子態。在量子節點中，量子計算機、量子云服務器用于實現量子云計算任務，量子安全通信設備用于實現量子密碼功能，量子中繼器用于克服信道損耗和噪聲影響、提升量子態的傳輸距離進而構建更大規模的量子網絡。

圖1 量子網絡的一般架構示意圖

與經典互聯網相協同，量子網絡利用量子力學的基本特性可實現長距離的（安全）通信任務，或通過分布式計算提供優于經典計算網絡的計算能力。量子網絡為用戶提供了許多傳統互聯網環境中無法提供的功能和服務，為量子信息技術提供了大規模應用的平臺[6]。國內外學者在探索量子網絡的可用性方面做出了巨大努力，然而量子網絡的發展仍處于初級階段，由于量子硬件的限制，目前實現長距離、高效率的量子網絡仍面臨許多挑戰。為了全面了解量子網絡系統的發展態勢，更好地應對挑戰，我們根據應用場景和技術手段的不同，將量子網絡大致分為量子密碼網絡、量子云計算網絡和量子隱形傳態網絡3類。

量子密碼網絡指通過傳輸量子態來實現各類密碼學任務的量子網絡。由于當前技術上最成熟的量子密碼協議是QKD，所以現階段的量子密碼網絡通常是基于QKD的保密通信網。在當前技術條件下，該網絡通常直接在光纖 / 自由空間信道中傳輸量子態，傳輸距離非常受限。為了提高傳輸距離，往往需要在網絡中增加“可信中繼”（即假設為可信的節點）來中繼QKD密鑰，而量子通信衛星也往往被用來扮演這種可信中繼的角色。

量子云計算網絡將昂貴的量子計算基礎設施置于云端供網絡中的用戶使用。它類似于經典云計算網絡，只不過其計算任務通常需要量子計算機來參與，如多個量子計算機（或者量子計算機與經典超算）以分布式的形式來共同完成某個計算任務。由于當前技術條件下難以實現量子態的高保真度和遠距離傳輸，現階段的量子云計算網絡往往只是一個公司或研究機構將量子計算設備放在云端供用戶共享使用，網絡中的通信以經典通信為主（傳輸計算任務和計算結果），量子計算設備之間、量子計算與經典超算之間的協同還不多見。

不難看出，量子態的遠距離可靠傳輸問題是制約量子密碼網絡和量子云計算網絡發展的重要因素。量子隱形傳態是一種以糾纏態為信道來傳輸量子態的技術手段。它首先通過以光纖 / 自由空間為信道的量子態傳輸在收發雙方之間分享糾纏態，然后發送方就可以利用該糾纏態來傳輸量子比特給接收方（該過程不再需要在光纖 / 自由空間信道中傳輸量子態，因此稱為“隱形”）?；诩m纏交換技術，人們可以實現真正的量子中繼（即中繼糾纏態），進而實現遠距離的糾纏分發。因此，量子隱形傳態網絡可以實現遠距離的量子態傳輸，被看作是未來量子網絡的重要實現形式，可以被廣泛應用于量子密碼（不再需要“可信中繼”，即被假設為可信的密鑰中繼）和量子云計算（多個量子計算設備之間可以遠距離傳輸量子態來實現高效協同）等各種應用場景。

本文圍繞上述3個方面來分別綜述量子網絡的研究進展及面臨的挑戰，然后結合量子網絡的實施情況對量子網絡的關鍵技術進行梳理。最后提出我國在本領域的技術發展建議，以期為量子網絡的系統性發展提供參考。

二、量子網絡系統重點方向研究進展

（一）量子密碼網絡

量子密碼網絡通過傳輸量子態來實現各類密碼學任務，目前已部署的量子密碼網絡主要是基于QKD的量子保密通信網絡，該網絡以實現安全的QKD協議為目標。QKD是一種通信雙方通過傳輸量子態來獲得一串只有通信雙方共享的密鑰協議，與一次一密結合可以實現完美安全的保密通信。隨著量子保密通信網絡技術的不斷成熟，越來越多的國家和地區在基于QKD的保密通信網絡方面取得成果。

1. 量子密碼網絡的研究進展

早在2002年，美國建成了世界上第一個QKD網絡——DARPA QKD網絡，其具有3個連接節點，分別為美國BBN科技公司、哈佛大學和波士頓大學，傳輸距離為10 km[7]。之后，各國對QKD網絡的實用化進行了一系列研究。例如，2004年，歐盟委員會的第六框架計劃（FP6）項目“基于量子密碼的安全通信（SECOQC）”集成了單光子、糾纏光子和連續變量（CV）光子等多種量子密鑰收發系統，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（UQCC）QKD測試網絡“日本千兆比特網絡2+（JGN2plus）”最遠傳輸距離達到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，全長達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長的城際QKD鏈路[11]。

我國對QKD網絡實用化的首次研究可追溯至2007年，中國科學技術大學研究團隊在北京市構建和演示了一個包括4名用戶的星型拓撲量子通信網絡[12]，最遠傳輸距離為42.6 km。這是國際上第一個全時全通的量子密鑰分發網絡，也是當時國際上公開報道的唯一無中轉、可同時、任意互通的量子密碼通信網絡。2017年，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開通，京滬干線連接北京、上海，途經濟南和合肥，全長達2000 km，全線路密鑰率超過20 kbps[13]。2021年，中國科學技術大學研究團隊演示了一個基于“墨子號”的集成空對地QKD量子通信網絡，總距離可達4600 km[14]；同年，該團隊在511 km光纖鏈路上實現了雙場QKD（TF-QKD），并在無可信中繼的情況下鏈接濟南和青島兩城，成為全球首個無可信中繼的長距離光纖QKD網絡[15]。中國科學技術大學、科大國盾量子技術股份有限公司、國科量子通信網絡有限公司與上海交通大學等單位合作，在真實量子保密通信網絡中實驗驗證了后量子密碼算法在QKD網絡認證中的可行性、效率和穩定性[16]，這是國際首次QKD和后量子密碼融合可用性的現網驗證。2022年，我國開通了合肥量子城域網，該網絡由中電信量子信息科技集團承建、科大國盾量子技術股份有限公司提供核心設備，具有8個核心網站點和159個接入網站點，全長1147 km，可為近500家單位提供量子安全接入服務[17]。

以上量子密碼網絡多基于BB84等離散變量QKD協議，此類協議的實現較為成熟，但是其點對點實現存在傳輸碼率低、對硬件設備要求高等問題。為實現更高碼率、更大規模、距離更長的量子保密通信，學者們提出CV-QKD[18]、測量設備無關QKD（MDI-QKD）[19]、TF-QKD[20]等實現方案。

CV-QKD利用量子力學中的連續變量，如光的相位和振幅，來實現密鑰分發，可有效提高傳輸碼率。2009年，法國巴黎大學光學研究所團隊在SECOQC項目的支持下實現了第一個CV-QKD的點對點實地實驗，通過一個損耗為3 dB的信道，平均安全密鑰率達8 kbps[21]。2019年，北京郵電大學和北京大學的聯合研究團隊在城域內50 km商用光纖鏈路中實現了CV-QKD，安全密鑰速率比之前的外場實驗提高了兩個數量級[22]。

MDI-QKD協議利用雙量子干涉選擇糾纏光子對，不依賴于第三方的測量設備的安全性，可有效提高遠距離量子密鑰分發實驗的安全性。2013年，國內外研究團隊先后完成光纖信道的MDI-QKD協議實驗[23,24]。2020年，中國科學技術大學、清華大學、中國科學院上海微系統與信息技術研究所等研究團隊聯合完成了大氣層內19.2 km的MDI-QKD實驗，為實現基于衛星的MDI方案走出了關鍵的一步[25]。2022年，一種抗環境干擾的多用戶非可信節點MDI-QKD組網方案被提出，能夠提高網絡在多用戶場景下的魯棒性和適應性[26]。

TF-QKD將MDI-QKD協議進行改進，利用單光子干涉后的探測作為有效探測事件，每次用來成碼的有效探測所消耗的光子數比MDI-QKD更少，是近年來遠距離QKD的主流發展方向。2022年，有研究團隊實現了833 km光纖TF-QKD，將傳輸距離的世界紀錄提升了200多千米，安全碼率提升了50~1000倍[27]。2023年5月，多個研究團隊合作，成功實現了光纖1002 km點對點遠距離QKD，創造了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄[28]。2023年6月，北京量子信息科學研究院、南京大學物理學院研究團隊合作，將異步匹配技術與響應過濾方法引入量子通信，在傳輸距離為201 km下量子密鑰率超過每秒57 000 bit、傳輸距離為306 km下量子密鑰率超過每秒5000 bit，創造了城際量子密鑰率的新紀錄[29]。

2. 量子密碼網絡發展面臨的挑戰

目前世界各地已部署了多個基于QKD的量子保密通信網絡。隨著技術的不斷發展，量子密碼網絡正朝著更高碼率、更長距離、更大規模的商業化QKD網絡發展。這一發展趨勢將使未來量子密碼網絡有望在更廣泛的應用領域中發揮作用，并滿足不同規模和安全性需求的通信要求。與此同時，相關研究也面臨如下挑戰。

（1）量子密碼協議體系：眾所周知，網絡中信息系統的安全性通常由多種密碼技術（如密鑰協商、數字簽名、身份認證、消息認證、擲幣、比特承諾、哈希函數、加密算法等）和安全防護技術（如防火墻、病毒查殺等）來共同保障。然而，量子密碼協議研究目前處于“QKD遙遙領先、其他協議難以突破”的不平衡狀態。根據木桶原理，簡單地用QKD協議替換現有信息系統中的密鑰協商算法無法從根本上提高系統整體的安全性。為了實現全面提升信息系統安全性的目標，設計實用化的（QKD之外的）其他量子密碼協議、健全量子密碼協議體系變得勢在必行。比如能否設計出實用的量子數字簽名、量子兩方安全計算等關鍵協議，以及可與QKD相適配、結合QKD使用能夠切實提高系統整體安全性的經典密碼算法和協議，將是量子密碼網絡領域亟需攻克的重要理論問題[30]。

（2）性能提升：盡管國內外學者在QKD實驗方面不斷取得突破性進展，但在應用場景下QKD系統仍有三個方面的性能有待提升：① 傳輸速率。為了實現“信息論安全性”，需要使用一次一密算法來加密數據，這將消耗與所加密數據等長的密鑰。在數據量飛速提升的信息爆炸時代，提升QKD密鑰速率的需求將長期存在。② 傳輸距離。QKD的傳輸距離直接影響到量子密碼網絡的規模。目前QKD的傳輸距離還很受限，通常采用“可信中繼”來實現遠距離的量子保密通信。由于密鑰會在中繼節點“落地”，一旦這種中繼節點被敵手控制，則密鑰的安全性將不再存在。因此，進一步提升點對點QKD的傳輸距離，減少“可信中繼”的使用勢在必行。③ 系統的實際安全性。盡管QKD協議在理論上可達到信息安全，但是實際物理器件存在諸多不完美性，這可能導致QKD系統出現安全漏洞。如何發現并對抗這種安全威脅，也是量子密碼網絡需要長期面對的問題。

（3）標準化：量子密碼網絡存在多種QKD協議實現方式，這種差異可能會導致互操作性和兼容性方面的問題。制定共同的標準，可以確保不同量子密碼系統之間的相互通信和兼容，從而實現一個更加靈活和可擴展的量子網絡。2023年8月1日，工業和信息化部發布的3項量子保密通信相關的通信行業標準《量子保密通信網絡架構》（YD/T 4301—2023）、《量子密鑰分發（QKD）網絡網絡管理技術要求 第1部分：網絡管理系統（NMS）功能》（YD/T 4302.1—2023）、《基于IPSec協議的量子保密通信應用設備技術規范》（YD/T 4303—2023）開始實施[31]。這些標準在量子保密通信網絡的組網、建設、運維和管理等方面起著重要的指導作用。隨著QKD網絡協議和設備的不斷改進，更新和完善相關行業標準也成為推動量子密碼網絡發展的研究重點之一。此外，在未來量子密碼網絡中，除QKD，其他量子密碼技術也需制定相關行業標準，為大規模量子密碼網絡的安全運行提供支撐。

（二）量子云計算網絡

量子云計算網絡將新興的量子信息資源整合，通過云計算的方式給用戶提供計算服務，使用云端的量子設備參與完成分布式計算任務，能夠為稀缺的量子計算基礎設施和信息技術基礎設施節約大量的成本。

1. 量子云計算網絡研究進展

2016年，國際商業機器公司（IBM）提出了首個免費的量子云計算服務（Q Experience）。一年后，IBM的量子云平臺升級，16量子比特的芯片上線。到目前為止，IBM已經在云端推出了20多個量子處理器，可提供從5個量子比特到最大127個量子比特的服務。國外目前的量子云計算平臺還有DWave公司的Leap、微軟公司的Azure Quantum、亞馬遜公司的Braket、歐洲公共量子計算平臺Quantum Inspire、加拿大Xanadu光量子平臺等[32]。

我國目前以真實量子計算機為后端的量子云平臺有中國科學院 - 阿里巴巴量子計算實驗室的“量子計算云平臺”、本源量子計算云平臺、北京量子信息科學研究院“量子未來-Quafu（夸父）”云平臺等[32,33]。其中，中國科學院 - 阿里巴巴量子計算實驗室的“量子計算云平臺”在2018年2月接入了11量子比特的超導量子計算服務。2021年2月，量子計算云平臺進行了系統切換，量子創新研究院聯合濟南量子技術研究院和科大國盾量子技術股份有限公司等對網站頁面和功能進行了重新設計，超導量子計算原型機升級至12量子比特[32]。2023年5月31日，科大國盾量子技術股份有限公司接入“祖沖之號”同款176量子比特超導量子計算機，發布了新一代量子云平臺[34]。本源量子計算云平臺于2020年上線，其后端為本源超導量子計算機“悟源”，搭載6量子比特超導量子處理器夸父KFC6-130，是國內率先實現工程化的量子計算機原型系統[32]。2023年8月15日，本源量子計算云平臺接入了搭載了12量子比特“悟空芯”超導量子芯片。2023年5月25日，北京量子信息科學研究院、中國科學院物理研究所和清華大學合作發布了新一代量子計算云平臺“量子未來-Quafu（夸父）”，其后端最高接入了136量子比特超導量子芯片[33]。

上述量子云計算平臺均以真實計算機為后臺，現階段，量子計算機發展正處于含噪聲中等規模量子（NISQ）時代，面臨著研發成本高、易受噪聲影響、支持的量子比特個數較少、難以脫離實驗環境等問題。受這些問題限制，學者們開發了量子云服務模擬平臺，通過模擬量子計算機的硬件和軟件行為，提供量子計算任務的運行環境。例如，Google量子計算框架Cirq平臺、Rigetti公司的Forest云平臺、BlueQubit量子開發平臺、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、百度“量槳”量子云平臺等。其中，Google Cirq平臺可實現72量子比特的量子線路模擬[35]；阿里巴巴研發的單振幅量子線路模擬器“太章”，可成功模擬81量子比特40層的谷歌隨機量子線路[36]。

目前，量子云平臺大都是孤立的量子計算機，并沒有像真正的網絡一樣做到互聯互通。實現未來互聯互通的量子云計算網絡的一個重要途經是分布式量子計算，即由多個量子服務器協同完成一個計算任務。分布式量子計算可分為基于隱形傳態[37]和基于線路拆分[38]的分布式量子計算兩種類型?；陔[形傳態的分布式計算面向容錯量子計算，通過隱形傳態技術實現芯片間的通信，需要量子信道和經典信道。在算法設計方面，學者們已提出了分布式量子均值估計算法[39]和分布式Shor算法[40]等。在硬件實現方面，由于隱形傳態技術尚不成熟，多體系的分布式計算平臺仍在研究中。近期，有研究團隊在光學系統實現了對Deutsch-Jozsa算法和量子相位估計的遠距離分布式計算演示[41]?；诰€路拆分的分布式計算將大規模的量子線路拆分成可在NISQ設備上運行的多個小規模的子線路，通過經典信道實現芯片間通信。此類分布式計算可分為比特拆分方法和門拆分方法，分別通過切割量子比特和兩比特門實現對量子線路的拆分，已被應用于變分量子特征求解器[42]和量子近似優化算法[43]。

2. 量子云計算網絡發展面臨的挑戰

量子云計算網絡為公眾提供了量子計算資源，同時也為企業和研究機構提供了一種經濟實惠的量子計算解決方案，降低了量子計算的成本和風險，使更多的企業和研究機構可以利用量子計算技術來解決業務問題和科學研究問題，促進了量子計算技術的應用和發展。其發展面臨的挑戰如下。

一是量子算法。量子云計算網絡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通用量子計算機上實現。然而，現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前的NISQ設備上實現。因此，不管是為了探索量子計算的能力邊界，還是為了給量子計算找到更多應用場景，量子算法的設計都是需要解決的重要問題。就目前來看，如何設計可在NISQ設備上運行的量子算法以及研究尋找當前NISQ設備能有效解決的實際問題對于探索當前量子云計算網絡的可用性具有重要作用和價值。此外，分布式量子計算對于充分利用量子云計算網絡的量子計算能力具有重要意義。受當前量子設備限制，其研究仍處于起步階段。如何設計分布式量子算法也是量子云計算網絡發展所面臨的挑戰之一。

二是量子計算的硬件性能。量子云平臺目前存在多種量子比特的物理實現方案，但受限于嚴苛的物理條件，即使最先進的超導量子比特方案也只能實現數百個物理比特的制備和操控，且可實現的邏輯門保真度和深度都非常受限[44]。到目前為止，研究者還難以實現對物理量子比特的糾錯，尚未得到一個邏輯量子比特，距離實用化算法所需的硬件性能尚有距離。提高量子計算硬件的各項性能是量子計算領域的當務之急。

（三）量子隱形傳態網絡

量子隱形傳態網絡主要是基于EPR糾纏對的量子非局域關聯特性來實現量子態的遠距離、高保真度傳輸。該網絡的基本原理是利用量子糾纏分發、量子糾纏交換等技術，在網絡中建立起一些量子糾纏信道，使得兩個遠距離的節點之間可以利用隱形傳態技術來傳輸量子態。目前對量子隱形傳態網絡的研究仍處于實驗階段，并未實際部署。

1. 量子隱形傳態網絡的研究進展

1997年，有研究團隊完成了世界上第一個獨立光子偏振態的量子隱形傳態的實驗驗證[45]，該工作入選了《Nature》雜志“百年物理學21篇經典論文”。隨后，相關團隊演示了終端開放的量子隱形傳態[46]、兩光子復合系統的量子隱形傳態[47]以及單光子多自由度的隱形傳態[48]，基于“墨子號”量子科學實驗衛星，將量子隱形傳態的距離推進至千千米量級[49]。2019年，國內外研究團隊合作，首次成功實現高維量子體系的隱形傳態[50]。

近幾年，國內外其他研究團隊在光子隱形傳態實驗中也有所突破。2020年，華東師范大學研究團隊利用前期發展的光學軌道角動量復用的連續變量糾纏源結合全光量子隱形傳態協議，在國際上首次成功構建了多通道復用的全光量子隱形傳態協議[51]。2021年，德國馬克斯 - 普朗克量子光學研究所的實驗實現了一個原則上是無條件的量子隱形傳態協議，只需要一個光子作為預先準備的資源，不需要預共享糾纏量子比特對[52]。

除光子隱形傳態實驗外，2006年，丹麥哥本哈根大學研究團隊首次實現了光與原子系綜（銫原子團）之間的量子隱形傳態實驗[53]，平均保真度接近60%。2012年，有團隊在首次實驗實現了光子與原子之間的百余千米自由空間隱形傳態[54]。2013年，馬克斯 - 普朗克研究所實驗演示了兩個單原子之間的隱形傳態，實現了（88.0±1.5）%的保真度[55]。2014年，荷蘭代爾夫特理工大學研究團隊演示了在相隔3 m的金剛石自旋量子比特之間的任意量子態的無條件隱形傳態[56]。2022年，代爾夫特理工大學研究團隊首次實現了金剛石氮 - 空位（NV）色心三節點線路中的跨節點隱形傳態，效率約為117 s/次，保真度為70.2%[57]。

2. 量子隱形傳態網絡發展面臨的挑戰

在未來的量子隱形傳態網絡中，多個節點將通過量子中繼器共享糾纏，形成量子糾纏鏈路，實現安全的遠距離信息傳輸。為實現更遠距離、更大規模的量子隱形傳態網絡，目前面臨的挑戰如下。

（1）量子態的遠距離傳輸：由于信道損耗和噪聲的影響，量子態的傳輸質量會隨傳輸距離的增加而下降，使量子態的遠距離傳輸成為難題。為克服這一問題，學者們提出量子中繼器的思想[58,59]，將遠距離量子鏈路劃分為多個較短且損耗較小的鏈路。量子中繼器的實現依賴于糾纏分發、糾纏交換、糾纏純化（或量子糾錯）和量子存儲等技術。盡管這些技術在實驗實現方面已經取得了部分進展，但仍然存在一些問題需要克服。例如，糾纏分發需要解決信道噪聲等問題；糾纏交換和量子糾錯需要高保真度的量子門等。這些問題使量子中繼器離實用化還有一段距離，限制了大規模量子隱形傳態網絡的發展。

（2）量子態的高性能存儲：量子中繼方案的實現需要各相鄰節點間存儲大量的共享糾纏態，需要高性能的量子存儲器。當前量子存儲器已在多個量子體系中實現，但不同體系具有不同的優勢和缺陷，很難同時達到滿足實際量子態傳輸的各項要求。例如，基于冷原子的量子存儲器常利用光學晶格以獲得較長的存儲壽命，但會使存儲效率受限[60]；基于稀土摻雜晶體的量子存儲器具有易于擴展的優點，但是在存儲時間和效率上還需要進一步提升[61]。因此，深入研究不同的物理體系，尋找更優的量子存儲器實現方案對于量子隱形傳態網絡的研究至關重要。

三、量子網絡系統關鍵技術及攻關要點

根據量子網絡的發展和實施，我們將關鍵技術歸納為四個方面：鏈路建立技術、信息傳輸技術、網絡協議技術和物理硬件技術。其中，鏈路建立技術包括用于生成糾纏態的糾纏生成技術與用于在遠距離節點處建立糾纏鏈路的遠程糾纏建立技術。信息傳輸技術用于提高信息傳輸效率，包括信道復用技術和量子接口技術。其中，信道復用技術可以提高信道的利用率，量子接口技術用于實現不同類型量子系統之間的信息交換。網絡協議技術用于保證網絡各部分的協同運作，主要包括量子網絡堆棧和量子網絡協議兩部分。物理硬件技術包括用于存儲量子態的量子存儲器和用于擴展傳輸距離的量子中繼器。

（一）量子網絡系統鏈路建立技術

1. 糾纏生成技術

糾纏生成是指在量子系統中，通過一些操作使兩個或多個量子比特之間產生糾纏。在量子通信中，光子糾纏態是量子網絡的關鍵資源。產生糾纏光子對最為便捷的一種方法是自發參量下轉換（SPDC）過程。SPDC描述了一個二階非線性過程[62,63]，其中一個泵浦光子與一個非線性介質相互作用，并分裂成兩個能量較小的光子。在多光子實驗中應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]、貝爾干涉態型糾纏源[67]等。除光子糾纏生成外，糾纏生成技術還有原子量子比特糾纏生成[68]、超導量子比特糾纏生成[69]等。其中，原子糾纏生成基于腔量子電動力學（QED），通過原子間相互作用來生成的糾纏態，可通過冷原子、離子阱、原子波導等體系來實現。超導量子比特糾纏生成基于線路QED，通過量子門操作和控制電路來實現。

在未來量子網絡中，構建高維、大尺寸糾纏是糾纏生成技術必然的發展趨勢。目前，大多數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，但是在實現量子光學實驗的過程中依然存在很多障礙，包括更穩定高效的糾纏光源、單光子的存儲、量子態的測量以及多光子高緯度糾纏等[70]。此外，為了實現大規模的量子信息處理技術，需將簡單靈活的量子實驗擴展至集成光學器件上，這使多光子源的集成成為當前研究的一個關鍵問題。

2. 遠程糾纏建立技術

遠程糾纏建立是指在兩個相距較遠的網絡節點之間建立共享糾纏對（即兩個節點各存有糾纏對中的1個量子比特）的過程。遠程糾纏建立主要包括糾纏分發、糾纏交換和糾纏蒸餾三個部分。其中，糾纏分發是指將生成的糾纏態中的兩個量子比特分別分發送給兩個相鄰節點。受信道損耗的影響，糾纏分發的距離相對較近。糾纏交換可以將相鄰節點間共享糾纏態轉化為（相距較遠的）非相鄰節點間的共享糾纏態。糾纏蒸餾將多個（受信道噪聲影響而導致的）低質量的糾纏對進行一系列操作，從而得到一個高質量的糾纏對。

在遠程糾纏分發中，糾纏態需要通過常規信道（如光纖）進行傳輸。在實驗中，人們已實現了光[71]、離子阱[72]、超導[73]、量子點[74]和冷原子[75]等量子比特的糾纏分發。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導致糾纏質量下降。因此，如何在長距離傳輸過程中有效地保持糾纏態的質量是一個難題。此外，糾纏分發的速度對于實際應用非常重要。然而，在目前的糾纏分發方案中，實現高速的糾纏分發仍然是一個挑戰。例如，在光子對的糾纏分發中，光子之間的相互作用和光子之間的噪聲限制了分發速度。

糾纏交換通過量子測量和量子操作，可以使分別共享于（相鄰節點）A-B和B-C之間的2對糾纏態轉化為（非相鄰節點）A-C之間的1對糾纏態。在糾纏交換實驗中目前已實現了光[76]、原子[77]和超導[78]等量子比特的糾纏交換。目前糾纏交換技術存在的攻關要點主要在三個方面：測量方案優化、量子門操作優化、噪聲和干擾控制。通過優化測量方案，可提高糾纏交換的成功率和效率。在這一方面，已有很多學者從不同方面提高了量子測量的準確性和速度等，如利用壓縮感知技術減少測量次數提高測量效率[79]、通過最小化測量誤差來實現高效的量子測量[80]等。量子門操作優化的關鍵在于設計和實現高效的量子門操作，可加快糾纏交換速度。采用噪聲抑制技術和干擾隔離方法實現干擾控制，可減小對糾纏交換的負面影響。

糾纏蒸餾旨在將大量糾纏度較低的共享糾纏態中“蒸餾”出少量糾纏度更高的糾纏態。根據實現方式的不同，糾纏蒸餾可以分為離散變量和連續變量兩種。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量來提高糾纏度[81]?；谶B續變量的糾纏蒸餾利用了連續變量之間的糾纏性質。例如，可以通過使用光子對兩個高斯模式進行干涉來制備更強的糾纏態[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題，以實現高保真度、高效率的糾纏蒸餾。為了解決這一問題，研究人員采用噪聲抑制技術和誤差控制方法來減少或抵消與蒸餾過程相關的噪聲和誤差[83,84]。此外，糾纏蒸餾協議的設計也是需解決的關鍵問題之一，這包括選擇適當的量子門操作、測量方案和反饋控制策略。

（二）量子網絡系統信息傳輸技術

1. 信道復用技術

信道復用技術指量子信號與經典信號在同一根光纖中傳輸的技術。該技術可簡化網絡結構，顯著提高信道利用率，進而降低網絡的建設成本。常用的經典 - 量子信道復用技術有波分復用（WDM）和空分復用（SDM）兩種。

WDM技術是將不同波長的光載波信號在發送端經復用器匯合到同一根光纖中進行傳輸，在接收端再經解復用器將各種波長的光分離。在WDM技術中，需解決的一個關鍵問題是降低噪聲干擾。目前的信道復用方案常采用波長隔離、窄帶濾波、時域濾波等各類技術手段降低噪聲干擾，形成了較遠波長隔離[85]和同波段傳輸[86,87]兩類主流方案。較遠波長隔離方案相對容易實現，但通信距離較短，適用于短距離高密度局域網的建設；而同波段傳輸方案的建設成本較高，但具備更遠的通信距離和較大的提升潛力，可作為構建量子城域網的參考方案[88]。

SDM技術基于能夠支持多個空間橫向光傳播模式的光纖，為每個模式分配一個獨立的數據通道，從而增加了光纖容量?？辗謴陀霉饫w主要有多芯光纖、少模光纖、少模 - 多芯光纖以及環形光纖[89]。復用器和解復用器用于將不同的數據流組合和拆分到SDM光纖中的相應空間信道中。已有研究將復用器和解復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現廣泛的應用。已有許多實驗證明使用空分復用光纖實現空間模式的量子糾纏可以實現更高維度的QKD[93~95]。但實現更高維度的數百千米的傳播距離的量子QKD仍是信道復用技術目前面臨的攻關難點之一。此外，在實際的量子網絡系統中，信道復用技術的應用還應解決諸多工程問題，如量子網絡與現有光纖通信網絡的兼容、光纖中產生的非線性噪聲引起的高誤碼率等。

2. 量子接口技術

量子接口可完成量子存儲器中靜態比特和信道中動態比特的轉換，是未來量子網絡中不可缺少的元件。動態比特通常是光量子比特，便于傳輸和接收量子信息。靜態量子比特通常采用超導電路、離子阱、量子點等物理體系實現，它們易于長時間存儲。

量子接口技術的核心是將不同類型的量子系統進行耦合和相互作用。腔QED是物理學家研究光和物質在量子水平上相互作用的原型系統。1997年，研究者提出了一個基于腔QED的原子 - 光子接口，由耦合在兩能級原子上的高質量光腔構成[96]。之后，對基于腔QED的原子 - 光子接口的研究不斷發展。目前已有的用于原子 - 光子接口的常用介質有室溫氣體[97]、冷原子[98]、固態[99]、原子晶格[100]、離子阱[101]等。腔QED也被擴展到其他情形，如量子點耦合到微柱和光子帶隙腔、庫伯對與超導共振器的相互作用（即線路QED）[102]?；谶@些相互作用可實現量子點 - 光接口[103]和微波光子 - 光接口[104]。

量子網絡中量子接口包括3個攻關要點：波長轉換、轉換效率和集成。其中，波長轉換是在量子網絡中實現不同體系量子節點互聯的必要技術，需要解決不同節點之間的工作波長和帶寬的差異。轉換速度的影響因素主要包括光學器件效率和不同量子態間的轉換和匹配。不同量子態間轉換和匹配需要電光調制器（EOM）。為實現高速轉換，通常使用具有GHz帶寬的光纖EOM[105]。為了進一步提升速度，一些研究者采用全光開關的方式，利用光來代替電實現THz級帶寬[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，這必然會導致較高的信號損耗。量子接口集成將不同類型的量子系統連接在一起，需要解決量子系統之間的耦合、噪聲和退相干等問題。2018年，我國研究團隊首次實現了25個量子接口之間的量子糾纏[109]，而此前記錄是加州理工學院研究組[110]保持的4個。

（三）量子網絡系統網絡協議技術

1. 量子網絡堆棧

與經典通信網絡類似，量子網絡堆棧是從量子網絡底層物理實現中抽象出來的分層模型，每層通過特定的量子網絡協議提供一些通信功能[111]。通過設計量子網絡堆棧，可以進一步完善量子網絡的架構，并為量子網絡的建立制定標準。目前學者們提出了基于鏈式網絡結構[112~115]、集群的主從式量子網絡結構[116]和針對圖態網絡[117]的網絡協議堆棧。量子網絡堆棧的不同層負責不同的網絡功能，共同實現信息傳輸任務。

建立量子網絡堆棧需要面對一個基本問題，即量子網絡與經典網絡的交互。在量子網絡中，節點之間會存在兩種連接方式：物理連接（通過物理信道連接）和虛擬連接（通過糾纏信道連接）。這兩種連接方式都需要網絡節點之間的緊密合作和協調，這涉及到經典信號的傳遞。因此，量子互聯網不太可能在功能上獨立于經典互聯網。同時由于物理連接和虛擬連接的存在，在量子網絡堆棧會出現跨層交互?？鐚咏换セ蚩赏ㄟ^定義經典 - 量子接口實現，利用現有的經典功能通過經典控制信號來實現經典 - 量子交叉層[118]。此外，在評估量子網絡堆棧中的各層性能時，需確定最能表征堆棧每一層性能的參數。當涉及到糾纏時，經典通信和量子通信之間存在嚴格的相互作用，如生成和糾纏資源時，其生成速率在性能評估中起著關鍵作用，同時所需的經典控制命令受到經典比特吞吐量的限制，因此在確定參數時應根據堆棧功能同時考慮量子度量與經典度量[118]。

2. 量子網絡協議

量子網絡協議用于實現網絡運行各個階段的功能，是保證網絡正常運行和數據傳輸安全、可靠的基礎。目前對量子網絡協議的研究集中于網絡路由協議，包括糾纏路由協議與密鑰路由協議。糾纏路由協議在網絡上選擇一條建立遠程糾纏的最優路徑，常用度量標準有糾纏生成時間[119]、糾纏保真度[120]、端到端糾纏率[121,122]、糾纏生成率[123~125]、網絡吞吐量[126~128]等。密鑰路由協議通過選擇合適的路徑來實現QKD網絡量子節點的負載均衡，對其研究多通過改進經典路由協議以適應QKD網絡。例如，DARPA QKD網絡使用開放最短路徑優先（OSPF）協議作為密鑰路由協議[7,129]，歐洲SECOQC網絡使用升級版的OSPF-v2協議[130]等。也有學者針對QKD網絡特性，以傳輸跳數[131]、剩余密鑰量[132]等為路由度量標準來設計密鑰路由協議。除網絡路由協議之外，還有圖態網絡配置協議[133]、量子數據平面協議[134]等。這些協議與特定量子網絡堆棧相關，實現網絡堆棧定義的具體功能。如圖態網絡配置協議位于Pirker等人提出的量子網絡堆棧的鏈路層，用于在網絡運行時分發量子態和生成目標圖態。

與經典網絡相比，量子網絡中的路由協議更為復雜。如何綜合考慮各種因素，構造合適的路由度量標準是設計量子網絡路由協議的難點之一[135]。針對糾纏路由協議，其路由度量不僅必須根據路徑長度、成本和吞吐量計算路徑，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間來產生，這在確定路由度量標準時也必須考慮到。對于密鑰路由協議，還需考慮剩余密鑰數量、密鑰生成速率、路由安全性等因素。量子網絡協議的設計也需要考慮退相干的影響，滿足量子網絡的高同步與低時延要求。此外，目前量子網絡的研究基于單一硬件平臺的同構網絡[134]。然而，未來的量子網絡將不可避免地包括各種各樣的物理平臺，導致量子節點和鏈路的退相干和量子態保真度等參數存在差異，需要做更多的工作來了解混合量子網絡中量子網絡協議的性能。

（四）量子網絡系統物理硬件技術

1. 量子存儲器

量子存儲器是一種能夠按照需要進行存儲和讀出量子態的物理設備，在量子網絡中扮演著非常重要的角色。量子存儲器的研究目標是要達到長存儲時間、高保真度、高存取效率、大存儲帶寬、多模容量以及可以按需讀出的實用化標準[136]。目前，量子存儲器已經在多個體系中實現，包括原子體系（冷原子[137]與室溫原子[138]）、固態體系（金剛石NV色心[139]和稀土摻雜晶體[61,140,141]）、單量子系統（單原子[142]和單離子[143]）等。所采用的量子存儲協議包括電磁誘導透明協議[144]、原子頻率梳協議[145]、光子回波協議[146]等。

近年來，量子存儲器在各項性能指標上均有所突破，例如，基于冷原子的存儲器的存儲效率最高可達到90.6%[137]；基于稀土摻雜晶體的量子存儲器的存儲時間已超1 h[140]，存儲模式最高可達1650[141]。但是，仍然沒有物理體系能夠同時達到可實用化的各項標準，提升量子存儲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絡中的核心部件，集成了量子存儲、糾纏生成和建立、量子接口等技術，通過分段糾纏分發與糾纏交換來拓展通信距離[58,59]。目前，量子中繼器的研究主要有兩類趨勢：提出新的中繼方案，進一步降低其技術要求，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器的量子中繼[149,150]等；提高量子存儲器、光子探測器、糾纏生成源等基本元件的技術指標，使其接近主流中繼方案的技術需求。

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鍵問題[151]?，F有的解決方法包括預示糾纏生成（HEG）[152]、預示糾纏純化（HEP）[153]和量子糾錯（QEC）[154]。其中，HEG和HEP通過一系列測量和操作后確定地獲得所需的量子糾纏態，但需要雙向經典通信，受到通信速率的限制，且HEP會使通信時間隨著距離呈指數增長。QEC方法使用量子奇偶校驗碼（QPC）[155]、CSS碼[156]等糾錯碼來克服噪聲的影響，需要高保真度的量子門操作。因此，上述方法的實現均具有較高的技術難度。

四、對我國量子網絡系統相關研究的建議

量子網絡是能夠賦能量子通信和量子計算等領域的基礎設施，是未來信息技術發展的重要方向。目前，量子網絡的發展距離大規模使用還存在一定距離，仍有許多技術瓶頸亟需攻克。近年來，各國紛紛加大對量子網絡的研究和投入。我國應抓住發展機遇，加強基礎硬件研發與理論研究的投入，實現量子網絡基礎硬件的國產化，突破關鍵瓶頸，以掌握主動權，提高科技硬實力；加強交叉學科人才培養，建立系統的綜合研究體系，以推動量子網絡的發展和應用，為我國的科技創新注入新的動力。

（一）加強基礎硬件設施研發投入

量子中繼器和量子存儲器等基礎硬件設施在量子網絡中起著至關重要的作用，是建設大規模量子網絡的核心。當前國內外對于量子中繼器和量子存儲器的研究存在多種技術路徑，仍處于探索階段。相關基礎硬件設施的進一步發展需要世界各國的重視和持續投入。

目前，我國科研人員在全光量子中繼器、基于吸收型量子存儲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器的研究中取得了一定突破，而對于其他物理體系的研究相對薄弱。在量子發展的初期階段，我國應抓住發展時機，厘清國際技術發展形勢，補齊短板，篩選優勢領域以取得進一步突破，實現基礎硬件的國產化，減少核心設備受制于人的風險。因此，加強對量子網絡基礎設施研究的投入，掌握核心技術的自主研發和生產，對于提高我國在量子信息領域的戰略優勢至關重要。

（二）重視量子網絡理論研究

量子網絡的理論研究包括量子密碼協議和量子算法等。其中，量子密碼協議是建立安全量子密碼網絡的基礎。目前只有QKD較為成熟，但其他量子密碼協議仍處于瓶頸期，這導致在實際應用中很難全面提升信息系統的安全性。因此，設計實用化的其他量子密碼協議，健全量子密碼協議體系是目前量子密碼網絡發展的重中之重。量子算法在探索量子計算的能力邊界和發掘量子網絡的可用性方面起到了重要作用，然而目前已知的有實際應用價值的代表性量子算法還很少。無論是實用化量子密碼協議還是量子算法，相關理論交叉性強、難度大，需要科研人員發揮“甘坐冷板凳”的精神，長期潛心研究。

然而，我國對量子網絡理論研究的重視程度尚有明顯不足。一些對科研人員的考核標準，片面追求短期成果和經費數量，使從事上述高難度理論研究的學者舉步維艱?；谏鲜銮闆r，建議高度重視量子網絡理論研究，優化相關考核機制，以營造良好的研究氛圍，助力科研人員的全身心投入，推動量子網絡的理論發展。

（三）加強交叉學科研究和相關人才培養

量子網絡涵蓋物理學、計算機科學、密碼學等多個學科，研究難度大且極具挑戰性，未來量子網絡的實現也將是一項浩大的工程。為了在相關研究方面走在世界前列，需要大量具備多學科背景的交叉型、復合型人才。

推動我國量子網絡系統領域的健康發展，需要加強跨學科人才的培養，通過良好的科研條件和政策激勵來吸引更多學者從事相關研究，尤其是現階段我國還存在短板的研究方向。此外，以跨領域合作項目為牽引，舉辦交叉領域的研討會，有助于促進不同學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本文撰寫的協助。

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務沖突。

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)