ACM通信

贡献的文章

量子互联网的进展

作者:Laszlo Gyongyosi, Sandor Imre
ACM通信，2022年8月，第65卷第8期，52-63页
10.1145 / 3524455
评论

量子信息不仅将重塑我们对计算和通信本质的看法，而且将从根本上为实现高性能计算机架构和电信网络开辟新的可能性。当商业量子计算机完全可用时，我们的数据在传统互联网上将不再安全，^{1，2，8，15，34}就需要一种完全不同的网络结构:量子互联网。^{22，25，32，33，45，47}而量子计算霸权指量子计算机可以解决但经典计算机无法解决的任务和问题量子互联网的量子霸权定义了量子互联网提供但传统互联网无法提供的特性和属性。^一个

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关键的见解

量子互联网使用量子力学的基本概念进行网络连接(参见在线补充信息中的边栏1-7)https://dl.acm.org/doi/10.1145/3524455)．量子互联网的主要属性是先进的量子现象和协议(如量子叠加和量子纠缠，量子隐形传态，以及先进的量子编码方法)，无条件的安全(量子密码学)和一个纠缠的网络结构。

与传统的中继器相比，^b量子中继器不能应用接收-复制-再传输机制，因为所谓的“不可克隆定理”(no-cloning theorem)指出，不可能对量子系统做出完美的复制(参见边栏4)。经典信息和量子信息本质上的这种根本差异，不仅导致了网络机制的根本不同;它也需要在量子互联网场景中定义新的网络服务。量子中继器单元中的量子记忆是任何全球尺度量子互联网的基本组成部分。与量子存储单元相关的一个挑战是量子存储在存储量子系统时增加的噪声。然而，虽然量子中继器可以在不需要量子存储的情况下实现，但这些单元实际上是确保在任何高性能量子网络场景中获得最佳性能的必要条件。

2019年，国家量子倡议法案(NQIA)²⁸通过美国政府建立量子研究基金，而欧盟(EU)成员国参与欧洲量子通信基础设施(EuroQCI)倡议，⁴³在2018年量子技术旗舰机发布之后，³⁷根据2016年欧洲量子宣言。³⁶EuroQCI主要专注于全欧洲的量子密钥分发(QKD)网络，之后可以扩展到量子互联网，在量子计算机之间传递量子信息。EuroQCI网络由两个主要部分组成。的地面段将以光纤为基础的全国系统与跨境连接，并包含卫星接收地面站。试验台网络正在部署中。^5，44的空间段将通过使用准备和测量协议的低地球轨道(LEO)/中地球轨道(MEO)卫星，或通过应用基于纠缠协议的地球静止轨道(GEO)卫星，在遥远的地面站之间共享量子秘密关键材料。³⁸2017年，中国开始研究实施全球规模的QKD网络。⁵⁰

这篇文章的新颖贡献包括对量子互联网的基本结构特性的回顾，对量子互联网相对于传统互联网的优势的讨论，对量子互联网的基本概念和使能技术的总结，以及对近期的实施基础和开放问题的研究。其他材料包括在表格和在线侧栏中。

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预赛

在量子互联网环境中，一项主要任务是通过一组称为量子中继器的中间量子节点将量子纠缠从量子源节点分发到量子目标节点。纠缠分布是通过在量子节点之间产生短距离的纠缠连接来逐步实现的。纠缠连接的特征是在节点上准备的纠缠状态，而不是它们之间的物理链接。

接下来，增加纠缠连接的纠缠级别(请参阅在线补充侧栏)，以生成距离更长的纠缠连接。纠缠连接的纠缠级别决定了跳的距离给定纠缠连接的源节点和目标节点之间的(纠缠连接所跨越的量子节点数)。增量水平是由所谓的实现的纠缠、净化和交换在中间量子中继器中应用的(纠缠改进和扩展)过程(见本文后面对这些术语的描述)。

量子态的实现。在物理层，量子态可以通过几种不同的技术实现。表1阐述了这些技术的相关特性，并进行了相关的工作。讨论的重点是近期的情况;因此，相关技术实现了量子比特系统。

表1。量子态实现技术。

纠缠的一代。量子纠缠可以通过几种不同的概率物理过程产生。表2总结了这些方法的主要特点，并结合相关的研究工作。

表2。产生纠缠的方法。

纠缠分布。表3总结了不同的纠缠分布方案的特点，并举例说明图1．纠缠分布方法使用量子信道N可以通过光纤或无线光通道实现(参见侧栏4)。量子关联)需要高保真量子信道，而可分离态(经典关联)可以通过更多的噪声量子信道实现，这是由于量子和经典关联的基本特性。¹⁴

表3。纠缠分布方案。

图1。纠缠分布方案。

支持技术。在线侧栏中总结了量子互联网使能技术的主要特性，如所描述的表4．

表4。为量子互联网启用技术的侧边栏(参见在线补充信息)。

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量子互联网的非纠缠和纠缠结构

量子通信网络可以分为两大类:unentangled而且纠缠。在一个非纠缠的量子网络中，量子节点之间的连接是通过非纠缠的量子态来表述的。在纠缠量子网络中，量子节点之间的连接是通过纠缠态来表述的。纠缠态存储在量子节点的内部量子记忆中，这样，纠缠连接跨越几个跃点，并在很长的距离上建立。这两类量子网络模型的特点和目标有本质区别。

非纠缠量子网络的主要目的是在节点之间以逐点的方式(或节点之间产生随机数)实现标准(非纠缠)QKD协议(参见侧栏5)，纠缠量子网络的主要任务是在长距离上分发量子纠缠。非纠缠和纠缠量子网络的服务可以用来补充传统网络的任务——用QKD确保更强的加密和安全服务，如互联网协议安全(IPSec)或传输层安全(TLS);减少对公钥方法和单向函数的依赖;并降低加密方法、身份验证和隐私服务的计算复杂性。然而，由于基于量子kd的点对点量子通信，非纠缠量子网络只能在短距离上为传统网络提供这些补充服务，纠缠量子网络的结构允许我们构建一个更复杂的网络，称为量子互联网。

在量子互联网场景中，核心网络是一个纠缠量子网络，主要目的是为量子计算机(合法用户)提供一个通用的网络结构，建立可靠安全的远程量子通信。因此，量子纠缠和量子中继器是量子互联网概念的基础。量子中继器是纠缠分布过程(EDP)中发送节点(Alice)和接收节点(Bob)之间的中间量子节点发射机。量子纠缠使通信距离通过EDP延长了很长的距离(理论上是无限的)。

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实验量子互联网目前处于发展阶段，存在于物理实验室和理论方法中。

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纠缠量子网络的纠缠连接跨越多个节点，也就是说，这些是多跳连接。纠缠连接是通过EDP通过许多物理链路创建的。给定的物理链路，如光纤或无线光链路，只在分发过程中临时服务，因为物理链路只能在短距离内产生纠缠。因此，EDP是通过许多物理链路和许多短距离纠缠态逐步实现的。EDP的末端是一个端到端的纠缠状态，它跨越发送方和接收方之间的分发过程中使用的中间节点和物理链路。一般来说，纠缠分布主要是指短链路的纠缠分布过程。实现这一目标的一些重要协议是中间相遇或sender-receiver协议。

在非纠缠量子网络中，由于量子节点间的QKD主要是逐点的，因此可实现的通信距离是有限的。然而，其他几种用途也是可能的。非纠缠网络也可以用来传输量子信息。为了克服传输中短距离的限制，可以将量子比特编码为量子纠错码，并在短距离后放置中间的解码编码站。这些工作站只是解码接收到的逻辑量子比特，从而获得错误综合症，在传输期间发生的错误。利用错误症候群，空间站有望纠正错误，并将量子比特再次编码为量子纠错码。注意:QKD不能保证安全的量子通信，但可以用来在双方之间生成安全的经典密钥。QKD也不提供更强的加密，因为它只是在双方之间生成一个安全的经典密钥，可以用于对称块密码，如高级加密标准(AES)。如果有足够的可用资源，这样的密钥甚至可以用于执行一次性pad (OTP)加密，由于密钥是完全随机的，这是完全安全的。

在纠缠量子网络中，纠缠分发过程消除了对点对点量子通信的要求，将其扩展为多跳量子通信。纠缠量子网络允许我们使用所有的量子协议，如QKD(参见Ekert的基于纠缠的QKD)⁷)和其他类似于非纠缠网络的量子密码原语，但随着对改进网络结构的额外利用，更高的传输可靠性和速率，以及显著延长可实现的通信距离。由于存在长距离、端到端的纠缠态，纠缠量子网络可以被用作量子局域网络(QLAN)、量子城域网(QMAN)、量子广域网(QWAN)或全球量子Internet网络。

在纠缠量子网络结构中，连接量子网络设备的一种方法是使用一式两份的纠缠以贝尔对的形式。贝尔对足以产生任意的状态，要么通过合并它们，要么通过本地准备状态，然后通过网络传送量子比特。但是，这种方式需要投入大量的资源来生成任意的状态。纠缠量子网络的另一种变体是所谓的多歧的量子网络。在这些纠缠网络结构中，网络设备使用多部纠缠量子态连接，¹²簇态，或多部纠缠量子态。对纠缠量子网络采用这种方法比只使用贝尔对的网络有一个非常重要的优势:如果网络客户端希望共享图状态或其他多方纠缠状态，那么网络设备或客户端最后必须应用更少的合并操作。如果设备使用有噪声的设备，这是一个很大的优势，因为每一次合并操作——例如，控制相门，控制非门和测量——在这些设备执行的过程中，最终状态总是会引入噪声。因此，使用多部态在客户端之间产生多部纠缠态(这对于秘密共享、分布式传感等都是必要的)的量子网络在现实场景中给量子系统引入了更少的噪声——尽管它们更难通过实验实现，但作者在实验中肯定是对的。

纠缠连接的纠缠级别决定给定纠缠连接的源节点和目标节点之间的跳距。增量电平是通过在中间量子中继器中应用的所谓的纠缠交换(entanglement swap, entanglement extension)过程来实现的。具体地说，实际的纠缠分布是在加倍架构的框架内实现的(请参阅侧栏7和图3)，其中纠缠度每增加一倍，跳跃距离就增加一倍。在纠缠分布过程的最后，远源节点和目标节点共享一个远程纠缠连接。

图3。通过加倍架构的纠缠分布。

在这一点上，我们注意到并不是所有的量子中继器方案都依赖于增量的概念。特别地，只有早期的Bell对量子中继器方案需要Bell对的净化和交换嵌套。使用哈希纠缠净化的新型中继器完全不需要嵌套，因此不需要交换和净化的嵌套。

除了使用倍增架构，第三代量子中继器²⁹可以实现与高度纠缠态，可以用于分发量子信息在长距离;因此，它们可以用来分配纠缠。

表5总结了量子互联网量子霸权的主要研究方法。量子互联网的主要应用领域包括分布式计算、量子秘密共享、盲量子计算、客户端-服务器量子通信、系统区域网络、分布式密码函数(拜占庭协议、leader选举、QKD)和传感器技术(干涉测量、时钟、参考帧)。⁴⁵

表5所示。探讨量子互联网的量子霸权。

总体架构。图2描述了量子互联网的总体架构。该网络模型由一组具有量子和经典器件的合法用户以及一组具有不同器件的纠缠连接的中间量子中继器组成l纠缠的水平。量子互联网集成了光纤和地对地量子中继器之间的无线光通道，以及用于地对地卫星通信的空闲空间光通道。量子计算机和量子设备通过一个N量子信道(参见边栏4)与量子互联网的抽象云，而经典设备使用一个安全的量子协议，如QKD，来访问量子互联网。经典器件与量子协议之间的通信信道是一个N经典信道，而量子协议使用的是N量子信道来接入量子互联网

图2。量子互联网的纠缠网络结构。

在一般的量子互联网架构中l云中的量子节点之间的纠缠级别遵循加倍架构的结构。对于源量子节点一个接收器量子节点B， an的构造l=通过加倍架构的4级纠缠描述为图3．

量子节点通过l-级纠缠连接，其中l= 1为直连(黑线)l> 1是多级连接。为l= 2(粗蓝线)，则连接节点之间的跳距为d_l= 2，而forl= 3(较粗的橙色线)，则连接节点之间的跳距为d_l= 4。量子计算机和量子设备通过量子互联网与云进行通信N而经典计算机、服务器和其他经典设备通过安全的量子协议(由量子安全设备描述:QKD、量子密码协议等)访问量子互联网。经典器件与量子安全器件之间的通信是通过量子安全器件实现的N经典通信信道，而量子安全设备(量子协议)通过量子信道访问量子互联网N。

量子与经典互联网的互操作性。在短期内，量子互联网将与经典互联网并行运行。量子互联网为经典互联网增加了几个扩展和额外的功能，例如使用量子安全密钥在经典设备之间进行安全通信。在互操作性模型中，经典互联网的设备可以访问量子安全协议(如QKD)，也可以访问经典互联网。使用量子协议，量子密钥可以通过量子互联网路径共享，可以用于经典的、加密的、安全的通信在经典互联网上。在这种方法中，经典设备可以使用不同的带有量子密钥的经典协议来通过经典互联网进行加密通信，例如IPSec(通过IPSec网关和IPSec隧道，这表示用量子密钥保护的经典互联网路径)或通过Diffie-Hellman密钥交换协议、AES或TLS。图4提供了一个经典互联网和量子互联网的经典设备互操作性模型。量子互联网用于在远程量子安全设备之间共享量子密钥，而经典互联网用于使用量子密钥在经典设备之间进行加密的经典通信。

图4。经典互联网和量子互联网的经典设备的互操作性。

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建议

先进的信息传输和操作。在量子互联网环境中，信息传输是通过量子通信链路(量子信道)来实现的¹⁴)．经典通信信道只允许我们传输经典信息，而量子信道拓展了这种可能性。它可以用来传输经典信息，起到经典链接的作用;私人经典信息;以及量子信息(量子叠加或量子纠缠)。有关更多信息，请参阅侧栏1-4。

与纠缠分布有关的一个重要问题是对纠缠态噪声的处理。考虑到物理链路的噪声和环境的其他影响，接收到的量子态是有噪声的。特别是实际生成的纠缠系统的保真度σ与目标保真度相差甚远F。为了处理这种情况，应该净化噪声状态—这个过程被调用纠缠纯化。网络优化在量子互联网设置中是必不可少的，以减少净化步骤。

有些方法使用可分离态来产生纠缠。²³在这些方案中，纠缠不是直接分布的，而是只传输可分离态。然后通过对可分离子系统的运算产生纠缠。这些方案的一个缺点是它们的资源密集型需求，因为它们的实现需要相关的多部量子系统，在实践中很难产生和使用。

量子中继器协议栈。量子中继器协议栈描述了量子节点间纠缠分布的网络交互。⁴⁵堆栈的最底层是物理层，物理层仅描述纯量子级通信，如在相邻量子节点之间通过物理光信道直接传输量子纠缠。下一层为纠缠控制层，定义物理层的纠缠传输过程的控制方法。这两层定义在网络中所有直接连接的量子节点之间，如通过光纤或无线光通道连接的相邻量子节点。通信仅在这两个层中是单向的，而在所有更高的层中是双向的。物理层的纠缠传输过程从Alice通过直连(即:l= 0级连接)中间节点。纠缠控制层中的相互作用也是单向的，节点对之间的相互作用方向是反向的。

接下来的两层纠缠净化控制层和纠缠交换控制层仅定义在加倍结构中涉及到纠缠交换和纠缠净化的量子节点之间。因此，这些层的重复次数取决于级别l纠缠结构的。在所有这些重复的层中，相互作用是双向的。

Alice和Bob之间的端到端层是纠缠净化控制层，在发送端和接收端以及应用层之间建立高保真的纠缠，实现特定的功能。在这些层中，交互是双向的。

描述了量子中继器的协议栈图5．在图5(一个)描述一般层结构，而图5 (b)说明了图3的的协议交互l= 4级倍增架构。

图5。量子中继器的协议栈和协议交互。

先进的安全。虽然经典网络不允许具有合理计算复杂性的法律当事人无条件安全，但量子互联网提供了这一属性作为默认服务。量子互联网的高级安全级别由QKD和分布式加密函数(拜占庭协议、领袖选举、量子秘密共享、盲量子计算等量子加密函数)提供。该纠缠结构的主要贡献是通过一串量子中继器实现任意距离上的多跳QKD。由于非纠缠结构的点对点特性，非纠缠结构不允许全局QKD，而量子互联网的纠缠结构允许法律当事人选择这一选项。(注:卫星链路可以在网络的某些特定点使用，目前一些基于卫星的方法使用弱相干态和诱饵QKD协议。因此，有可能使用可信的节点架构，将经过认证的QKD链接链接在一起。)

量子互联网提供的高级安全性的另一个优点是它扩展了与经典加密函数的互操作性，如对称块密码(参见AES)，或与IPSec和TLS。通过使用量子互联网注入经典加密系统的额外保密性允许法律当事人减少对经典单向函数和公钥方法的依赖。由此可见，通过传统网络的经典层和量子互联网的量子层的协作，可以降低经典密码函数的计算复杂度。

第一个引入的QKD协议是基于离散变量(DV)，如光子偏振。引入的第一个DVQKD协议是所谓的BB84^3.协议，使用单光子偏振进行编码。

由于现有物理设备的技术限制，单光子偏振无法有效编码和解码，因此提出了连续变量(CV) QKD系统。³³在CVQKD系统中，利用相干量子态的位置或动量求积，通过高斯调制将信息编码为连续变量(即光子包)。与DVQKD相比，连续变量的调制和解码不需要专门的设备;它可以使用标准的、当前可用的、广泛使用的电信网络和设备来实现。

中总结了最近QKD实现的一些细节表6．

表6所示。最近的光纤和自由空间光学QKD实现。

先进的工程的可能性。从工程的角度来看，量子互联网需要使用先进的网络和服务管理。量子互联网物理层的主要任务是可靠地传输量子态，并将接收到的量子系统忠实地存储在量子节点的量子记忆中。物理层的量子传输和量子存储过程需要与更高逻辑层的网络和服务管理服务协作。逻辑层通过传统通信通道使用量子网络的经典端信息，为物理层提供反馈和适应机制。逻辑层包含纠错、量子链路和量子记忆的动态监控、量子节点内部存储和纠错机制的控制、网络优化、高级业务管理流程等控制和后处理任务。

量子互联网领域的发展是动态的，并面临着一些开放性问题的挑战。由于量子互联网的结构和过程与传统互联网的机制有着本质的不同，因此需要发展新颖、先进的服务。关于这些服务的主要挑战是为传输纠缠系统、优化网络架构和开发连接到纠缠分布的网络服务提供一个最佳的解决方案。量子互联网的联网过程应考虑量子力学的基本原理(如叠加、量子纠缠、不可克隆定理)，与传统互联网的联网服务相比，量子互联网对网络和服务的管理有显著不同。

先进的分布式计算。量子互联网的结构允许各方实现分布式计算，与传统网络相比，具有更高的安全性和扩展的可能性。分布式量子计算领域包括量子效应在客户机-服务器通信、系统区域网络通信中的应用，以及基础的分布式计算(信息共享、多方计算、多方安全、量子秘密共享和盲量子计算)。

基于测量的量子计算是使用纠缠作为资源的分布式量子计算的核心。量子测量的目的是从被测量子系统中提取有价值和可用的信息。测量的输入可以是叠加或纠缠的量子系统，而测量的输出是经典信息，即位串。量子测量可以以不同的方式进行，例如，通过投影测量或正算子值测量(POVM)测量。

路由量子纠缠。在具有异质纠缠能级的纠缠量子网络中，寻找最短路径³¹任意量子节点之间的纠缠程度对于在节点之间以尽可能少的步骤传输信息至关重要。在实际的场景中，由于没有关于节点或纠缠连接的属性的全局知识，路由必须以分散的方式执行。分散路由只能使用关于节点、它们的邻居和它们的共享纠缠级别的本地知识。量子互联网的机会纠缠分布被定义为一种不同的方法。¹³机会模型定义了分布集，目的是选择那些代价函数获得局部最小值的量子节点。代价函数利用局域量子存储器的误差模式和纠缠保真度演化的可预测性。该方法根据节点对局部量子存储器的实际状态，提供了高效的纠缠分布。该模型为实验量子互联网场景下高保真纠缠分布提供了一种简单、适度复杂的解决方案。

分散路由方法是一种很有前途的二部纠缠路由方法。然而，在图状态、集群状态和GHZ状态上的多部路由策略将使用这些状态。

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实现基础

量子互联网的实际应用集成了实际量子网络通信所需的标准光子器件、量子存储器、光学腔和基本物理器件。量子节点之间的量子传输和辅助经典通信可以通过标准链路(如光纤、无线信道、卫星通信)和使用量子网络的基本量子协议来实现。⁴⁵

实验量子互联网目前处于发展阶段，存在于物理实验室和理论方法中。需要讨论与量子互联网建设相关的工程问题，必须找到解决方案。

综述了近年来实验量子互联网中量子霸权的重要实践方法表7．

表7所示。量子互联网的量子霸权的最新实验方法。

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结论和展望

量子互联网为先进的量子通信技术和协议提供了大规模的应用。量子互联网的结构保证了用户数据的安全，为未来的联网提供了保障。然而，商业量子计算机目前还没有对公众开放(用户只能通过云有限访问)^10，11服务);安全问题是未来的问题，而为量子互联网设计高性能和设计良好的服务和协议则是当前的任务。随着量子计算机的出现，必须实现从传统互联网到量子互联网的无缝过渡。未来的研究应该为量子互联网定义进一步的服务和协议。需要解决的一个重要问题是如何组织和设计量子互联网标准。与传统网络一样，量子互联网协议的标准化有助于定义一个建立全球量子网络的统一平台。标准化也将成为一个演进的框架，能够反映量子互联网动态变化的需求。

解决这些重要问题的一个有希望的方法是成立量子互联网研究小组(QIRG)，³⁵它已经得到了国际上的支持和研究人员的合作。QIRG还为开发实验性量子互联网定义了具有能力里程碑的技术路线图。提出的目的是寻找量子互联网未来工程问题的解决方案，如定义标准化的架构框架(互操作性、连接建立、节点角色、网络编码、多方状态传输)、设计应用程序编程接口(API)以及定义量子互联网的应用级别。

在不久的将来，经典互联网和量子互联网将并行共存。量子互联网还将使用经典互联网作为辅助网络结构，因为在某些点上，经典端信息和经典公共通道的使用是量子器件发挥作用所必需的。其他重要的开放性问题短期内围绕着确定量子网络的网络边界，连接不同实现基础的量子网络，以及构建通用的通信语言和平台来支持量子互联网的量子设备。主要工程问题包括针对量子互联网异构网络结构的新型路由服务的开发和连接建立服务、资源分配服务(如纠缠分发和纠缠分配服务)、互操作性服务(不同网络层和网络组件之间的互操作性、经典网络组件和量子网络组件之间的互操作性)的定义。

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致谢

该研究得到了匈牙利科学院(2019年MTA高级博士后研究计划)的支持;国家研发创新基金(TUDFO/51757/2019-ITM，主题卓越计划);匈牙利国家研发创新办公室(项目编号:2017-1.2.1-NKP-2017-00001);匈牙利科学研究基金- otka K-112125，部分由EMMI(布达佩斯理工大学，BME FIKP- mi /SC)的BME人工智能FIKP资助，以及匈牙利量子信息国家实验室的创新和技术部和国家研究、发展和创新办公室。

更多的网上:如需更多信息，请访问本文的补充材料https://dl.acm.org/doi/10.1145/3524455．

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