面向6G时代先进技术的前期研究：QITs 2023
执行摘要
2023年，全球6G通信系统研究取得显著进展，量子信息技术（QITs）作为6G的重要使能技术，因其超越经典信息处理能力而备受关注。QITs预计将显著提升6G通信系统性能，丰富创新服务。其中，量子机器学习（QML）结合量子机制和机器学习的优势，在信息处理范式方面引起广泛关注。量子增强强化学习作为QML的重要分支，有潜力革新人工智能领域。本报告从量子安全通信和量子机器学习两方面深入探讨QITs在6G时代的应用。
量子安全通信
关键技术
- 量子密钥分发（QKD）：包括制备-测量（PM）协议和基于纠缠（EB）协议，其中PM方案更易实现，常用于实际系统。QKD协议发展分为BB84、诱骗态协议和测量设备无关（MDI）QKD等阶段。2022年，英、德、中三国研究团队同时报告了DI-QKD原理验证的三项实验进展，实现了基于E91协议的DI-QKD系统（3.32bit/s）。
- 双场（TF）QKD协议：首次在不使用量子中继器的情况下打破PLOB界限，2022年实现833 km的新传输距离，逐步接近1000 km的量子通信。
- 连续变量（CV）QKD：在短中传输距离上具有Mbit/s高速密钥生成能力，适用于高速城域网应用。2022年，城域展示了LLO-CV-QKD系统，在25公里距离处实现了21.53 Mbit/s的密钥速率。
- 量子随机数发生器（QRNG）：分为离散型和连续型，分别使用单光子源和纠缠光子对等信号作为随机变量的载体，以及利用自发辐射光子的真随机相位。2022年，实验验证了100Gbit/s的超快生成速率，将真空量子随机数生成的纪录提高了一个数量级。
QKDN标准化活动
- 国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）：SG13、SG17、SG11和FG-QIT4N分别从网络、安全、高层协议和信令等方面推进QKDN标准化工作。
- 欧洲电信标准化协会（ETSI）ISG-QKD：已发布九项关于QKD的规范，并开展若干工作项目，主要集中于QKD链路级问题。
- ISO/IEC JTC 1/SC 27：2017年启动研究期“量子密钥分发的安全要求、测试和评估方法”，建立了新的工作项目ISO/IEC 23837。
对6G的影响
- 量子密钥云平台：从QKD或QRNG获取量子密钥，并安全地存储和管理密钥，为用户安全终端提供高级别的安全保护。中国联通在雄安新区已建成量子密钥云平台，开展量子加密技术研究与应用示范。
- 应用场景：量子加密电话和量子公网集群对讲。量子加密电话使用预先充能的量子密钥作为“身份认证密钥”和“基础加密密钥”，实现语音和数据的加密传输。量子公网集群对讲系统通过量子密钥云平台获取量子密钥，确保集群语音、视频、图像等服务数据及操作信令在公网上传输时的安全性。
量子机器学习（QML）
量子增强强化学习
- 研究进展：通过在叠加态中探测环境来加速强化学习，并提供了一种在机器学习的三种范式中进行量子改进的通用方法。
- 实验验证：使用有限的副本来重建未知的量子光子态，在半量子强化学习方法辅助下，其保真度方面的性能可以得到提升。当借助量子机器学习技术，在合适的奖励/惩罚比率（α）下，确定性光子代理状态保真度可在50次迭代（k）内达到88%以上。
基于强化学习的光子量子比特态的重建
- 实验设置：采用半量子强化学习算法，系统包含环境（E）、寄存器（R）和智能体（A）三个部分。
- 实验结果：更大的奖励/惩罚比率（α）能带来更好的结果，但需要更长的收敛时间。与化学（RL）中的特性一致，即更大的奖励会生更大的探索，意味着提取更多信息，从而提高最终保真度，但由于波包更大，最终保真度的达成会比使用较小的奖励更晚。
