面向6G时代的先进技术初探：量子信息技术（QITs）
执行摘要在过去的这一年中，全世界都报道了6代（6G）通信系统研究的最新进展。6G正成为通信领域研究和开发的重要方向。作为6G的一种使能技术，量子信息技术（QITs）因其预计超越其经典对应物的信息处理能力，继续吸引学术界和工业界为了满足预计到6G时通信系统性能的显著提升和创新服务的丰富多样性，新兴的量子机器学习（QML）因其结合了量子机制和机器学习的既定优势而信息处理范式而引起了广泛关注。考虑到量子增强强化学习有潜力改变人工智能（AI）领域，第三章通过详细分析代表性工作，从两个方面深入研究了量子增强机器学习。一方面是研究如何通过应用量子机制来加速强化学习（RL）。另一方面展示了一个实验，该实验通过有限的副本重构一个未知的量子光态，借助半量子强化学习方法，该方法的保真度方面的性能可以得到提升。在6G时代，移动通信中网络空间安全的重要性预计将呈指数级增长。第二章重点介绍量子安全通信，旨在通过应用量子机制来保障关键信息。引言首先介绍了关键技术，包括量子密钥分发（QKD）和量子随机数生成器（QRNG），随后介绍了全球量子密钥分发网络（QKDN）的最新标准化活动。关于对6G的影响，中国联通在雄安新区建设了量子密钥云平台，并开展了广泛的量子加密技术研究与应用示范。因此，本章也将介绍两个代表性应用场景，即量子加密电话和量子 的兴趣。公网集群对讲。 前 言为了满足6G所期望的大幅提高的通信系统性能和丰富多样的创新服务，新兴的量子机器学习 (QML) 因其信息处理范式融合了量子机制和机器学习的技术优势而备受关注。考虑到量子增强强化学习具有彻底改变人工智能 (AI) 领域的潜力，本白皮书第3章从两个方面分析了相关代表性工作，以探索量子增强机器学习的研究。其一研究如何通过应用量子方法来加速强化学习 (RL)。其二展示了用有限数量的副本重建未知光子量子态的实验，在半量子强化学习方法的帮助下，可以提高保在6G时代，网络安全在移动通信中的重要性预计将呈指数级增长。本白皮书在第2章重点介绍旨在通过应用量子机制保护关键信息的量子安全通信。该章节首先介绍了量子密钥分发(QKD)和量子随机数生成器(QRNG)等关键技术，接着全面回顾了全球量子密钥分发网络(QKDN)的最新标准化活动。关于量子信息技术6G应用，中国联通在雄安新区建设量子密钥云平台，并开展了广泛的量子加密技术研究和应用示范。本章也将分享了其中两个具有代表性的应用场景，即，量子加密通在过去一年中，有关第六代通信系统 (6G) 研究的最新进展在全球范围内被广泛报道。6G 正逐渐成为通信领域的重要研发方向。作为 6G 的使能技术之一，量子信息技术 (QITs) 因其超越经典信息技术的信息处理能力预期，在学术界和工业 真度方面的性能。话和量子公网集群对讲。界开始受到青睐。 前言122.22.2.12.2.1.12.2.1.22.2.1.32.2.1.42.2.22.2.32.33.13.23执行摘要2.3.1应用场景1：量子加密呼叫···························· 17 2.3.2应用场景2：量子公网集群对讲系统·············· 18参考24致谢252.105总体情况2.1.1 052.1.2量子密钥分发·············································· 05 2.1.3量子随机数发生器······································ 07 关键技术 ··················································QKDN标准化活动··································ITU-T································································国际电信联盟电信标准化部门第13研究组国际电信联盟电信标准化部门第十七研究组国际电信联盟电信标准化部门第11研究组ITU-T FG-QIT4N······················································································ETSI ISG-QKD··························································· 14ISO/IEC JTC 1/SC 27对6G的影响················································量子机器学习量子增强强化学习使用强化学习重建光子量子比特态······ 0909101113131616192119 第三章。量子机器学习（QML）第二章 量子安全通信1. 简介本年度修订的白皮书范围旨在介绍量子信息技术（QITs），以利用其强大的信息处理能力来满足6G系统所设想的通信和计算的严格要求。2023年的版本将进一步介绍QITs为通信和计算系统所带来的两种预期效益，即量子安全通信和量子机器学习。为了满足到6G时期急剧提升的通信系统性能以及创新服务丰富多样性的要求，新兴的QML因其结合量子机制和机器学习的优势的信息处理范式而备受关注。考虑到量子增强强化学习有潜力革新人工智能（AI）领域，第三章通过详细分析代表性工作，从两个方面深入了解了量子增强机器学习的研究。一方面是研究如何通过应用量子方法加速强化学习。另一方面展示了一个实验，该实验旨在用有限的副本重构一个未知的光子量子态，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。在6G时代，移动通信中网络安全的重要性预计将呈指数级增长。第二章重点关注量子安全通信，旨在通过应用量子机制来保护关键信息。第二章从量子密钥分发（QKD）和量子随机数生成器（QRNG）等关键技术开始，随后介绍了全球量子密钥分发网络（QKDN）的最新标准化活动。关于对6G的影响，介绍了两种新型应用场景，即量子加密通话和量子公共网络集群对讲。 - 04 - 2.1.1 整体情况2.量子安全通信2.1.2 量子密钥分发2.1 关键技术迄今为止，QKD已有很多不同的协议，它们都可以分为两类：制备-测量（PM）协议和基于纠缠（EB）协议。对于前者，发送方生成一个随机比特序列，然后将它们编码到量子态上，随后将编码后的量子态发送给接收方进行测量。对于后者，一方制备足够多的纠缠态，通过信道发送给另一方，然后对纠缠态进行净化和测量以获得安全密钥。由于PM方案更容易实现，因此常用于构建实际系统，其中多采用“双方制备、中心测量”的方案。此外，还可以进一步分为DV-QKD和CV-QKD两种类型。1989年BB84 QKD的成功演示证明了QKD的理论无条件安全性。尽管QKD在理论上是无条件安全的，但实际设备的不完美可能会使系统面临威胁。因此，表2-1展示了诱骗态协议和测量设备无关（MDI）QKD，它们分别针对弱相干光源和探测器设备的脆弱性，确保在非完美设备情况下QKD的无条件安全性。这是量子通信是一种新兴且快速发展的通信技术，已成为前沿科技领域的热点，其安全性由量子力学保障。量子密钥分发（QKD）是最成熟发展的量子通信技术，利用量子叠加态或纠缠来分发量子比特，在理论层面具有无条件安全性。量子随机数发生器（QRNG）在公众中已知为借助QKD的相对成熟产品。QRNG是基于量子物理或量子效应生成真随机数的系统，在实用量子通信系统等领域具有重要应用。 - 05 - - 06 -表2 1 QDK协议的发展阶段在上述各种QKD协议中，设备安全风险尚未完全避免，尽管MDI-QKD已经解决了攻击者控制探测器的漏洞。理想解决方案是应用基于纠缠的DI-QKD系统，该系统处理允许攻击者控制所有设备的安全漏洞，并且在物理层面达到信息论安全上限。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）[2-3]，具有0.078误码率的预测性纠缠DD-QKD[2-4]，以及基于偏振纠缠光子的200米光纤DI-QKD[2-5]。需要注意的是，这些技术在理论上已得到验证，但目前由于假设攻击者的能力非常强，难以实现工业化。在QKD协议化方面的进展。双场（TF）QKD协议首次在不使用量子中继器的情况下打破了PLOB界限，成为超长距离QKD的广泛认可的技术解决方案。2022年实现了833 km的新传输距离[2-1]，TF-QKD正逐步接近实现1000 km的量子通信。与DV-QKD相比，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。CV-QKD系统架构的发展分为三个阶段，包括随机本地振荡（RLO）、本地本地振荡（LLO）和离散调制数字系统，其中离散调制数字系统有望成为未来CV-QKD的主流商业解决方案。2022年，报道称城域展示了LLO-CV-QKD系统，在25公里距离处实现了21.53 Mbit/s的密钥速率[2-2]，实现了超高速密钥速率的LLO-CV-QKD，并为CV-QKD实现更高密钥速率奠定了坚实基础。 - 07 -2.1.3 量子随机数发生器量子随机数生成器（QRNG）是一种基于量子物理学原理生成真正随机数的系统，具有不可预测性、不可约性和无偏性等特点，是量子通信系统中的关键设备，可应用于QKD系统。卫星传输QKD系统也是量子通信领域的一项主要发展技术，其主要目标是在卫星平台的支持下开展天地高速QKD实验，并推进广域量子密钥网络实验。卫星QKD网络具有独特优势。一方面，与光纤传输QKD相比，卫星传输QKD损耗更低，能显著增加传输距离；另一方面，卫星可用作中继，可有效提升QKD的应用范围和安全性。近年来，各国高度重视卫星QKD的发展，并开展了一系列卫星量子网络实验。2022年，中国的墨子卫星达到了当前最远1200公里的QKD[2-6]，并发射了世界上首颗QKD微纳卫星“济南一号”[2-7]。在qrng系统中，首先需要制备相应的量子态。随后，对量子态进行测量并获取原始数据。量子随机性随着量子密钥分发（QKD）进入商业化轨道，集成光子学为实施QKD发射机和接收机设备提供了一个强大、小型化且经济高效的平台。集成QKD系统的设计需要根据应用的要求选择不同的光学设计和材料平台。基于硅的平台提供了经过验证的加工平台，但需要使用混合集成激光源；InP平台允许激光器和高速度相位调制器的单片集成，但器件尺寸以及成本方面仍需改进。全芯片QKD的未来发展倾向于不仅使用其中一种材料，而是结合多种材料来设计适合系统的器件，从而取代大量高性能分立器件，降低器件成本和尺寸，提高系统集成度，并进一步推动量子通信系统的大规模商业化。 - 08 -量子随机数发生器（QRNG）分为两大类：离散型和连续型，这取决于所使用的随机源。离散型QRNG主要使用单光子源和纠缠光子对等信号作为随机变量的载体。该方案原理简单，具有明显的量子不确定性，但该方案的随机数生成率较低，这主要受限于随机源的线宽和单光子探测器的探测效率。连续型QRNG利用自发辐射光子的真随机相位，将随机波动相位转换为光强，然后由高速模数转换器捕获并量化，以获得原始量子随机数。该方案不受单光子探测器饱和计数率的限制，并显著提高了原始随机数的生成率。目前，QRNG技术的发展方向主要集中在提高量子随机数的生成率、量子随机数发生器的小型化以及降低量子随机数发生器的成本。量子随机数生成率是QRNG最重要的指标。2022年，根特大学与丹麦技术大学以及意大利巴里理工大学合作，实验验证了100Gbit/s的超快生成速率[2-8]，将真空量子随机数生成的纪录提高了一个数量级。此外，具有稳定性能、低成本和高量产的QRNG芯片已成为密码系统的迫切需求。许多公司和科研机构正在开展小型化和基于芯片的研究，各种技术解决方案和设备形式正成为商用QRNG产品，最高随机数生成速率已提升至10Gbit/s。韩国SK
