其他
中国信通院赖俊森等：量子信息网络概念原理与发展前景初探
The following article is from 信息通信技术与政策 Author 赖俊森,赵文玉 等
量子通信利用量子叠加态及纠缠效应，在经典通信辅助下，进行量子态信息传输或密钥分发，在理论协议层面具有无法被窃听的信息论安全性保证。量子通信的主要应用包括量子隐形传态（Quantum Teleportation，QT）、 量 子 密 钥 分 发（Quantum Key Distribution，QKD）、量子直接通信、量子秘密共享和量子密集编码等方向。其中，基于QKD的量子保密通信是目前已经初步实用化的应用方向，基于QT构建量子信息网络（Quantum Information Network，QIN）是未来量子通信研究与应用探索的重要方向。量子信息网络，也称量子互联网（Quantum Internet）[1]，基于量子通信技术产生、传输和使用量子态资源，实现量子计算机、量子传感器等量子信息处理系统或节点之间的互联和量子态信息传输，可进一步提升量子信息传输和处理能力，成为未来量子信息技术研究和应用探索的重要方向之一。
1 量子信息网络基本概念与特性
量子信息网络基于QT实现未知量子态信息的传输和组网。首先，信息收发双方通过纠缠光子对A、B的制备与分发（即量子纠缠分发）构建量子通信信道；随后，信息发送方将包含未知量子态信息的光子X与纠缠光子A进行贝尔态联合测量，并通过经典通信信道告知接收方测量结果；最后，信息接收方据此对纠缠光子B进行相应的酉变换操作，得到发送方光子X的量子态信息，完成量子通信过程。其中，进行量子态信息远距离传输的主要物理载体是单光子或光子纠缠对，也称“飞行量子比特”；传输介质可采用光纤或自由空间信道等；为克服环境噪声、传输退相干和信道损耗等影响，需要进行量子态信息存储，以及基于量子纠错、纠缠纯化和纠缠交换实现的量子中继；各种量子态信息处理器节点，如量子计算机和量子传感器等，其中的物质量子比特，如电子自旋和冷原子等，也需要与光子进行量子态的转换。
量子信息网络将是通过量子纠缠信道进行量子态传输的新型网络，与经典信息网络在基础物理资源，信息传输和承载物理信道，信号状态的调控、转换、存储与中继方案，组网设备和连接对象，网络协议架构，组网的发展目标及应用演进发展趋势等各方面都存在较大差异，二者之间不存在替代关系（见表1）。构成量子信息网络的关键使能技术、核心组网控制机理、基础使能组件、架构接口协议等问题尚处于研究和讨论的初步阶段，其应用探索刚刚起步，短期内并不存在大规模部署和落地应用前景。
表1 量子信息网络与经典信息网络特性对比
量子信息网络是集量子态信息传输、转换、中继和处理等功能为一体的综合形态，是量子通信技术发展的远期目标。根据关键使能技术需求和预期应用场景，量子信息网络技术发展和组网应用大致可分为量子加密网络、量子存储网络和量子计算网络3个阶段。
（1）量子加密网络可被认为是量子信息网络的初级阶段，基于量子叠加态或纠缠态的概率性制备与测量，可以实现密钥分发、安全识别和位置验证等加密功能，典型应用是已进入实用化的QKD网络。目前，我国量子通信领域研究和应用探索侧重于量子加密网络层面。由于量子存储中继技术无法实用，目前QKD远距离传输和组网依靠密钥落地逐段中继的“可信中继”方案。
（2）量子存储网络是量子信息网络下一阶段研究和应用探索关注的重点，将具备确定性纠缠分发、量子态存储和纠缠中继等功能和能力，可支持盲量子计算、量子时频同步组网和量子计量基线扩展等新型应用。量子存储网络是未来量子通信研究和应用探索关注的重要方向，国外已开始在基础组件、系统集成、组网实验和协议开发等方面进行布局研讨与推动，发展趋势应引起我国的关注和重视。
（3）量子计算网络是量子信息网络各项关键技术成熟融合之后的高级阶段，将进一步包含可容错和纠错的通用量子计算处理和大规模量子纠缠组网等功能和能力，可用于分布式量子计算提升量子态信息处理能力，以及实现量子纠缠协议组网等应用场景。需要说明的是，对于量子计算网络终极形态中可能诞生的潜在应用和引发的技术变革，当前阶段尚无法全面预测，但其中所蕴含的可能性和想象空间，或不亚于今日之互联网。
2 量子信息网络成为近期欧美关注热点
近年来，量子信息网络正逐步成为量子科技领域科研和应用探索的前沿热点，欧美等国均开展了相关布局规划和研究探索。
2018年，荷兰德尔福特理工大学Wehner等在《科学》杂志发表量子互联网综述论文[1]，对关键技术需求、网络能力演进和潜在应用场景作出预测。
2020年2月，美国白宫发布《量子网络战略展望》报告[2]，提出未来5年推动量子存储中继、大容量量子信道和星地量子通信等关键技术突破，未来20年探索量子计算机互联和量子互联网；建议研发活动包括：量子信号源和探测器等关键模块开发，光和微波量子源及信号转换，纠缠和超纠缠态操控，量子纠缠互联协议与纠错算法，量子存储器和小型量子计算机，星地纠缠分发等方向。
2020年3月，欧盟量子旗舰计划公布《战略研究议程》报告[3]，对量子信息各领域研发情况进行评估与展望：未来3年量子通信领域仍以QKD应用研究为主，同时开展量子中继实验演示和少量节点QIN的协议与网络架构等前期研究；未来6 ~ 10年，欧盟计划完成基于量子中继的800 km现网光纤量子通信传输，实现包含20 个处理器节点的 QIN 组网，演示包含量子存储和处理功能的QIN应用，以及DI-QRNG/ QKD和星地量子通信；欧盟量子旗舰计划设立量子互联网联盟（Quantum Internet Alliance，QIA）项目，由荷兰德尔福特理工大学和QuTech联合体牵头，23家欧洲研究机构和初创公司参与，研究QIN使能技术并开展演示实验。预计到 2022年左右，荷兰将建成4节点QIN演示网络，进行量子时频传递、量子处理器互联等应用探索，同时计划研发并提供SimulaQron、NetSquid等QIN模拟、中继建模仿真等设计软件。
2020年7月，美国能源部公开“量子互联网发展蓝图”研讨会报告[4]，提出量子互联网三大应用场景、四大研究方向、五大发展里程碑。三大应用场景即：量子传感器网络，例如量子时钟网络、量子测量（如望远镜）联网；升级版量子计算，可实现分布式量子计算及小规模量子计算机互联；安全的量子通信，例如未来可支持盲量子计算的应用。四大研究方向即：为量子互联网提供基本的构建模块；整合集成多个量子网络设备；实现量子纠缠的中继、交换和路由；实现能容错的网络功能。五大发展里程碑即：在光纤网络上完成量子安全协议验证，已由洛斯阿拉莫斯国家实验室牵头实现；实现校园间和城市内的量子纠缠分发，目前已开展相关网络实验；通过纠缠交换实现城市间的量子通信，计划由布鲁克海文国家实验室牵头，在纽约地区进行现网实验，建设包含3个纠缠源、6个室温运行量子存储器和2个纠缠交换站点的量子中继网络实验线路（见图1）；通过量子中继实现跨州距离的量子纠缠分发；建立国家实验室、学术界和产业界之间的多方生态系统，由原型演示阶段迈向运营基础设施阶段。
2020年9月，美国众议院提出《量子网络基础设施法案》[5]，拟追加拨款一亿美元，推进量子网络基础设施建设并加速量子技术应用。2020年10月，国际互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force, IETF）的量子互联网提案研究组（Quantum Internet Research Group，QIRG），持续开展量子互联网原理框架、应用场景和组网协议等标准化讨论。
2021年，美国国家科学基金会发布“量子系统互联（QuICs）”研讨会报告[6]，分析量子互联核心组件需求和技术挑战，并对未来研究发展目标和功能性能指标作出路线规划。
3 量子信息网络仍处于科研探索阶段
3.1 量子信息网络物理层核心基础组件量子信息网络物理层的核心基础组件从功能模型角度，大致可以分为量子纠缠源、量子态探测器、量子态转换器、量子态存储器和量子态信息处理器。其中，量子纠缠源是提供基础物理信道资源的关键使能器件，实现高品质确定性量子纠缠制备分发以及高维量子纠缠态操控，将是实现量子信息网络的第一项控制性因素。量子态探测器具备单光子量级的信号探测能力，并支持贝尔态联合测量等量子叠加态和纠缠态检测功能。量子态转换器实现信道中的“飞行量子比特”与存储器和处理器中的物质量子比特之间的量子态读写转换，可能涉及多种不同类型（如光子、电子和原子等）、不同能级（如微波、可见光和电信波段等）和不同编码自由度（如偏振、相位和时间等）量子比特之间的相互转换，将是量子态信息实现跨体系互联和组网的第二项控制性因素。量子态存储器包含多种可能的物理实现方案（如气态冷原子系综，固态囚禁离子和金刚石色心，以及全光子簇态等），可实现网络中继节点或处理节点中的量子态接收和存储。各种方案的量子存储技术目前均处于实验研究阶段，存储深度、带宽、时间和读取效率等方面的指标难以满足实用化要求。突破实用化量子存储中继技术，将是实现量子信息网络的第三项控制性因素。量子态信息处理器广义上可包含量子计算机和量子传感器等终端处理节点，网络层面主要指具备纠缠纯化和纠缠交换功能的量子中继器。量子态信息处理器的突破和实用化，将是实现最高级形态的量子计算网络的第四项控制性因素，而这与量子计算和量子测量领域的发展与演进关系紧密。
3.2 量子信息网络物理层核心基础组件研究进展对于量子信息网络物理层的核心基础组件，近年来国内外相关研究和实验虽取得了一些初步进展，但仍处于探索阶段。2019年，中国科学技术大学Li等在《自然·光子学》发文指出[7]，基于多维纠缠簇态制备和后选择贝尔态测量可实现多信道间光子对任意连接，提升纠缠态分发效率；基于6个独立参量转换双光子纠缠源可实现12光子无存储量子中继器。2019年，荷兰德尔福特理工大学Bradley等在《物理评论X》发文指出[8]，基于固态电子自旋量子位，可实现存储时间达1 min的10位量子存储器；通过金刚石色心控制电子自旋，以微波脉冲进行控制和光脉冲读出，未来可扩展进行纠错编码。2019年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）Wan等在《科学》发文指出[9]，基于离子阱体系可实现340 μm间隔量子比特位之间受控非门（Control-NOT Gate，CNOT）逻辑运算操作隐形传态，其中以镁离子纠缠对分发和铍-镁离子BSM实现联合逻辑门操作，成功率可达87%。2020年，中国科学技术大学Yu等在《自然》发文介绍了[10]冷原子系综存储器之间纠缠操作的实验，在实验室50 km和现网22 km的距离可实现量子纠缠操作的实验，其中采用环形腔增强光子与原子系综耦合，非线性频率转换优化光纤传输效率，双重相位锁定控制光程差。2020年，中国科学技术大学Lin和NIST Leibrandt等在《自然》发文指出[11]，在离子阱体系中对带电的钙原子和氢化钙分子进行基于激光调控的联合调控，通过观测二者之间能量状态变化的关联系，首次制备和观测到单原子和单分子之间的量子纠缠态。2020年，中国科学技术大学Liu等在《光学》发文指出[12]，采用飞秒激光加工实现稀土离子晶体光波导固态量子存储器，保真度可达到99%并具有可集成和扩展性；使用0.5 K深低温共振谱仪提高自旋回波信噪比，可将量子存储时间提升至40 ms。
3.3 量子信息网络潜在应用探索进展在量子信息网络的潜在应用探索方面，国内外相关研究和实验虽已取得一些初步进展，但多为原理性探索和概念性实验验证，距离实用化仍有较大差距。2012年，维也纳大学Barz等在《科学》 发文介绍了[13]首个基于测量的盲量子计算实验，通过远端量子计算处理器将量子位置于纠缠态，由计算用户发送未知量子态控制运算演化，并获取计算结果，从而实现远程量子计算任务的安全加密委托。2014年，帝国理工大学Nickerson等在《物理评论X》发文指出[14]，采用基于噪声阈值13.3%表面编码纠错算法和纠缠纯化技术建立量子计算单元之间的互联信道，可实现2 MHz频率的计算处理互联，但存在98%的光子纠缠损失，仅可达到kHz量级的Qubit交互速率。2017年，以色列希伯来大学Ganz在《量子信息处理》发文指出[15]，基于多维纠缠簇态的多方领导者选举量子纠缠协议算法，基于预先共享多维纠缠簇态实现无需多方协商的云计算网络领导者选举，通过对各方共享量子纠缠态进行异步测量，以测量结果标注领导者，可以保证选举过程的随机性和公平性。2020年，中国科学技术大学Dai等在《自然物理学》发文指出[16]，基于“墨子号”卫星和双向自由空间量子密钥分发技术的量子安全时间同步实验，卫星和地面站实现了单光子级时间同步信号传输，时间脉冲频率为9 kHz，量子信道误码率为1%，时间传递精度达到30 ps，推动了基于卫星实现量子时间同步组网的实验探索。
总体而言，量子信息网络的关键技能技术和核心基础组件的研究目前仍处于开放式探索阶段，在量子纠缠操控、量子态存储和量子态转换等方面的技术路线尚未收敛，解决方案尚不明确，量子信息网络发展的关键控制性因素在短期内获得重大突破并达到规模应用的实用化水平可能性较小。
4 结束语
量子信息网络通过量子隐形传态实现量子态信息在处理系统和节点之间的传输，可以实现多个量子信息处理模块间的互联互通。对于量子计算模块而言，由于量子态的叠加特性，实现N位量子态信息的互联，将可以使其表征的状态空间，以及相应的状态演化处理能力得到2N倍指数量级提升；对于量子测量模块而言，在多参数的全局变量测量条件下，基于纠缠互联形成量子传感器网络，可以提升测量精度，突破标准量子极限，在量子时钟同步网络和量子限精密成像设备组网等方面获得应用。此外，实现广域端到端的量子态信息传输与组网，也将在提升安全通信能力、开发新型复杂网络的组网协议等方面提供目前无法企及的解决方案。
量子信息网络是实现量子信息系统互联，提升量子信息处理能力，探索全新组网应用模式和场景的物理载体和使能技术，未来可能在分布式量子计算、量子时间频率同步组网、量子观测计量组网等方面进一步提升运算处理能力和传感测量精度，或在复杂网络组网方面提供新型协议处理解决方案。虽然目前量子信息网络研究仍处于起步阶段，在使能组件、系统集成、网络架构、协议接口等方面尚需进一步研究探索，潜在应用场景也尚未完全明确，距离实际应用落地仍有很长距离，但其所代表的量子计算、通信和测量相互融合的发展方向将是量子信息技术未来长期的演进目标。
参考文献
[1] Wehner S, Elkouss D, Hanson R. Quantum internet: a vision for the road ahead[J]. Science, 2018,362(6412):eaam9288.[2] The White House National Quantum Coordination Office. A strategic vision for America’ s quantum networks [R/OL]. 2020[2021-05-06]. https://www.quantum.gov/wp-content/uploads/2021/01/A-Strategic-Vision-forAmericas-Quantum-Networks-Feb-2020.pdf.[3] European Quantum Flagship. Strategic research agenda[R/OL]. 2020[2021-05-06]. https://qt.eu//app/uploads/2020/04/Strategic _Research-_Agenda_d _FINAL.pdf.[4] The DOE Quantum Internet Blueprint Workshop. From long-distance entanglement to building a nationwide quantum internet[R/OL]. (2020-02-05)[2021-07-06]. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/07/f76/QuantumWkshpRpt20FINAL_Nav_0. pdf.[5] U. S. House of Representatives. The quantum network infrastructure Act[Z], 2020.[6] Awschalom D, Berggren K K, Bernien H, et al. Development of Quantum Interconnects(QuICs)for nextgeneration information technologies[J]. PRX Quantum, 2021,2(1):017002.[7] Li Z D, Zhang R, Yin X F, et al. Experimental quantum repeater without quantum memory[J]. Nature Photonics, 2019,13(9): 644-648.[8] Bradley C E, Randall J, Abobeih M H, et al. A 10-qubit solid-state spin register with quantum memory up to one minute[J]. Physical Review X, 2019,9(3):031045.[9] Wan Y, Kienzler D, Stephen D, et al. Quantum gate teleportation between separated qubits in a trapped-ion processor[J]. Science, 2019,364(6443):875-878.[10] Yu Y, Ma F, Luo X Y, et al. Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres[J]. Nature, 2020, 578(7794):240-245.[11] Lin Y H, Leibrandt D R, Leibfried D, et al. Quantum entanglement between an atom and a molecule[J]. Nature, 2020,581(7808):273-277.[12] Liu C, Zhou Z Q, Zhu T X, et al. Reliable coherent optical memory based on a laser-written waveguide[J]. Optica,2020,7(2):192-197.[13] Barz S, Kashefi E, Broadbent A, et al. Demonstration of blind quantum computing[J]. Science, 2012, 335(6066):303-308.[14] Nickerson N H, Fitzsimons J F, Benjamin S C. Freely scalable quantum technologies using cells of 5-to-50 qubits with very lossy and noisy photonic links[J]. Physical Review X, 2014,4(4):041041.[15] Ganz M. Quantum leader election[J]. Quantum Information Processing, 2017,16(3):73.[16] Dai H, Shen Q, Wang C Z, et al. Towards satellitebased quantum-secure time transfer[J]. Nature Physics,2020,16(8):848-852.
作者简介
赖俊森
中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部主任工程师，高级工程师，博士，主要从事量子信息相关新技术研究、标准制定及测试验证等工作。
赵文玉
中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部主任，正高级工程师，博士，主要从事超高速光通信、光模块器件、量子信息等相关新技术研究、标准制定及测试验证等工作。
张海懿
中国信息通信研究院技术与标准研究所副所长，正高级工程师，主要从事超高速光通信、光模块器件和量子信息等相关新技术研究、标准制定及测试验证等工作。
论文引用格式：
赖俊森, 赵文玉, 张海懿. 量子信息网络概念原理与发展前景初探[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(7):17-22.
∗基金项目：国家自然科学基金项目（No.62006248）、国家重点研发计划项目（No.2019YFB1803700）资助
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第7期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
《信息通信技术与政策》官网开通啦！
http://ictp.caict.ac.cn/
（点击“阅读原文”访问）
校 审 | 陈 力、珊 珊
编 辑 | 凌 霄
推荐阅读
数字化转型专家谈