量子网络系统研究进展与关键技术.docx

一、前言

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量子信息科学是量子力学与信息技术相结合的一门新兴交叉学科，近年来已发展成为科技领域关注的焦点之一。量子信息科学主要包括量子通信、量子计算和量子测量等研究领域。量子通信，从字面上来讲，指传输量子态的通信形式，如直接在信道中传输量子比特，或者利用纠缠态为信道传输量子信息（称作量子隐形传态）。由于当前的量子通信技术主要被应用于密钥分配，所以人们常听到的“量子通信”往往特指量子密钥分配（QKD）或者基于QKD的（用来传输经典消息的）保密通信。不同于传统密码学中的密钥分配协议，QKD的安全性由物理原理来保证，理论上可达到信息论安全，因此具有独特的优势。人们也尝试将量子力学性质应用于完成其他密码学任务，如秘密共享、身份认证、数字签名、掷币、比特承诺等，相关研究属于量子密码学的范畴。量子计算是通过调控量子信息物理单元来进行并行计算的一种先进计算模式，相比经典计算，在求解某些特定问题上已展现出了显著的速度优势，如整数分解、无序数据搜索等。

量子网络是量子通信和量子计算相结合的产物，被认为是量子信息技术发展的最终目标；作为由网络节点和信道所构成的通信网络，可连接量子计算机与其他量子设备，其基本结构如图1所示。通信信道包括经典信道与量子信道，其中经典信道用于传输经典信息，量子信道用于传输量子态。在量子节点中，量子计算机、量子云服务器用于实现量子云计算任务，量子安全通信设备用于实现量子密码功能，量子中继器用于克服信道损耗和噪声影响、提升量子态的传输距离进而构建更大规模的量子网络。

图1量子网络的一般架构示意图

与经典互联网相协同，量子网络利用量子力学的基本特性可实现长距离的（安全）通信任务，或通过分布式计算提供优于经典计算网络的计算能力。量子网络为用户提供了许多传统互联网环境中无法提供的功能和服务，为量子信息技术提供了大规模应用的平台。国内外学者在探索量子网络的可用性方面做出了巨大努力，然而量子网络的发展仍处于初级阶段，由于量子硬件的限制，目前实现长距离、高效率的量子网络仍面临许多挑战。为了全面了解量子网络系统的发展态势，更好地应对挑战，我们根据应用场景和技术手段的不同，将量子网络大致分为量子密码网络、量子云计算网络和量子隐形传态网络3类。

量子密码网络指通过传输量子态来实现各类密码学任务的量子网络。由于当前技术上最成熟的量子密码协议是QKD，所以现阶段的量子密码网络通常是基于QKD的保密通信网。在当前技术条件下，该网络通常直接在光纤/自由空间信道中传输量子态，传输距离非常受限。为了提高传输距离，往往需要在网络中增加“可信中继”来中继QKD密钥，而量子通信卫星也往往被用来扮演这种可信中继的角色。

量子云计算网络将昂贵的量子计算基础设施置于云端供网络中的用户使用。它类似于经典云计算网络，只不过其计算任务通常需要量子计算机来参与，如多个量子计算机（或者量子计算机与经典超算）以分布式的形式来共同完成某个计算任务。由于当前技术条件下难以实现量子态的高保真度和远距离传输，现阶段的量子云计算网络往往只是一个公司或研究机构将量子计算设备放在云端供用户共享使用，网络中的通信以经典通信为主，量子计算设备之间、量子计算与经典超算之间的协同还不多见。

不难看出，量子态的远距离可靠传输问题是制约量子密码网络和量子云计算网络发展的重要因素。量子隐形传态是一种以纠缠态为信道来传输量子态的技术手段。它首先通过以光纤/自由空间为信道的量子态传输在收发双方之间分享纠缠态，然后发送方就可以利用该纠缠态来传输量子比特给接收方。基于纠缠交换技术，人们可以实现真正的量子中继，进而实现远距离的纠缠分发。因此，量子隐形传态网络可以实现远距离的量子态传输，被看作是未来量子网络的重要实现形式，可以被广泛应用于量子密码和量子云计算等各种应用场景。

文章围绕上述3个方面来分别综述量子网络的研究进展及面临的挑战，然后结合量子网络的实施情况对量子网络的关键技术进行梳理。最后提出我国在本领域的技术发展建议，以期为量子网络的系统性发展提供参考。

二、量子网络系统重点方向研究进展

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（一）量子密码网络

量子密码网络通过传输量子态来实现各类密码学任务，目前已部署的量子密码网络主要是基于QKD的量子保密通信网络，该网络以实现安全的QKD协议为目标。QKD是一种通信双方通过传输量子态来获得一串只有通信双方共享的密钥协议，与一次一密结合可以实现完美安全的保密通信。随着量子保密通信网络技术的不断成熟，越来越多的国家和地区在基于QKD的保密通信网络方面取得成果。

1?.量子密码网络的研究进展

早在2002年，美国建成了世界上第一个QKD网络——DARPAQKD网络，其具有3个连接节点，分别为美国BBN科技公司、哈佛大学和波士顿大学，传输距离为10km。之后，各国对QKD网络的实用化进行了一系