量子互联网与算网协同体系架构白皮书

量子互联网与算网协同体系架构白皮书 版权声明 本白皮书版权属于紫金山实验室及其合作单位所有并受法律保护，任何个人或是组织在转载、摘编或以其他方式引用本白皮书中的文字、数据、图片或者观点时，应注明“来源：紫金山实验室等”。否则将可能违反中国有关知识产权的相关法律和法规，对此紫金山实验室有权追究侵权者的相关法律责任。 编写说明 主要编写单位： 紫金山实验室江苏省未来网络创新研究院北京邮电大学 主要编写人员： 张浩、李媛、张晨、黄韬、刘韵洁 前言 从量子这个概念的提出，到以半导体技术为基础的第一次量子革命，孕育出了现代计算机文明，给人们的社会生活带来了巨大的变化。其中极具代表性的应用场景之一就是计算机通信和互联网，其使得人与人之间的交流变得非常方便。近几十年来，以操控量子态为基础的第二次量子革命又带来了新的量子信息技术，比如量子通信、量子计算和量子精密测量。这类新技术都是以量子力学原理来进一步突破原有的技术路线。其中量子通信是利用量子不可克隆原理从物理上实现绝对安全通信；量子计算是利用量子态叠加原理实现并行运算，极大提高计算速度；而量子精密测量则是突破标准量子极限进一步提升测量精度。在实用化的过程中，随着用户和节点数目的增加，很自然地就形成了量子网络。当网络的覆盖面变得很大，类似于当今全球互联网时，就形成了量子互联网。所以在将量子信息实用化的过程中，对量子互联网进行深入的研究和发展是必然趋势。 目前量子互联网的发展还处在初期阶段。由于其和经典互联网的基本原理不同，很多经典互联网的发展模式和技术都无法直接借鉴过来。现阶段不论是底层的硬件技术，如量子门操作速度和保真度、量子纠错和量子存储时间等，还是上层的量子互联网体系架构，如运行模式和协议栈，都不成熟。这也导致在量子互联网的研究中还面临很多新的问题和挑战。 本白皮书首先简洁地介绍和梳理量子互联网相关的基本原理和 技术，包括部分量子信息基础知识和代表性协议等。随后介绍量子互联网的发展现状和代表性的体系架构方案。最后围绕量子互联网的基本技术路线提出构建未来量子互联网的运行模式，讨论和展望量子算网协同的研究内容和可能的发展方向。本白皮书旨在通过对量子互联网的介绍、梳理和展望，为量子互联网从基础理论研究朝工程和产业化发展提供一个架构和技术层面的参考。 目录 前言......................................................................................................I目录...................................................................................................III 1.1量子信息基本概念......................................................................51.2典型量子应用............................................................................131.5实验系统....................................................................................26 2.1量子互联网概述........................................................................302.2量子中继及其分类....................................................................332.3量子互联网协议栈....................................................................37 三、量子互联网分组交换技术..............................................................42 3.1基于量子封装网络的分组交换方案.......................................423.2经典帧辅助的混合分组交换方案...........................................46四、量子互联网运行模式设计..............................................................524.1基本假设....................................................................................534.2量子网络设计整体要求...........................................................534.3量子请求运行方案....................................................................55五、量子应用协议运行示例...................................................................575.1量子密钥分发............................................................................58 5.2分布式量子计算........................................................................62六、量子算网协同...................................................................................636.1量子计算协同化发展趋势.......................................................636.2量子算网协同发展背景...........................................................666.3量子算网协同基础理论和研究方向.......................................68七、总结与展望.......................................................................................73附录A：术语与缩略语...........................................................................76参考文献...................................................................................................78 一、量子信息技术概述 1.1量子信息基本概念 1.1.1从经典力学到量子力学 在日常生活中，我们肉眼所能见到的物体的运动行为都属于经典物理所研究的范畴。比如一块被水平扔出去的石头做抛物线运行，踩油门让车加速等。这些运动规律都可以被牛顿力学所描述。通过给定物体的质量和受力情况就可以通过maF这个公式去计算物体的加速度，再结合运动学公式和初始状态计算该物体往后任意时刻的运动状态。然而牛顿力学可以计算的运动规律是有范围的，即低速宏观弱引力场情况。如图1所示，当我们研究的物体尺寸从日常生活中见到的宏观世界，如飞机、汽车和篮球，逐渐变小到了原子尺寸的微观世界时，情况大不相同。而描述这个微观世界粒子运动规律的理论就是量子力学。在量子力学中，微观粒子的运动状态由波函数表达。 只要完全搞清楚物体的波函数随着时间如何变化就可以完全掌握物体的运动状态。此时经典力学中的maF这个公式已经无法使用，需要用薛定谔方程Hti来计算物体的波函数。其实基于量子力学的技术和产品早已被我们使用，比如电脑和手机中的半导体，其中的原理就用到了量子力学能带理论。 1.1.2量子态及其演化 上面说到了微观世界粒子的运动规律需要用量子力学所描述。而在量子力学中，一个粒子的状态，也就是量子态，用波函数描述。在符号上，我们习惯用来表示，或者用狄拉克符号表示。比如一个光子有水平和竖直两个偏振状态，此时我们就可以分别将其表示为H（水平Horizontal首字母）和V（竖直Vertical首字母）。一个原子有自旋向上和向下两种状态，可以表示为和。甚至一只猫的死和活的状态，都可以表达为死和活。量子力学中的概念有很多，为简单起见，我们只在这里介绍几个后续内容涉及到的重要概念。下面我们重点介绍两个非常重要的基本概念：叠加态和纠缠态。 叠加态是指一个系统同时处于两种或多种量子态的状态。在数学 7上表示为一个系统的几个量子态线性叠加。比如一个光子同时处于水平偏振和竖直偏振，表示为VH21。表达式中的21是归一化因子。一个原子同时处于自旋向上和向下21。如果一个物体同时处于n种状态，就是n21...1n。这种情况也许会让没接触过量子力学的人感到很奇怪。因为在我们先前经验中见到的世界里，一个物体的状态只会出现某一种。以抛硬币为例来对比一下经典世界和量子世界，如图2所示。硬币白色朝上为0，黑色朝上为1。左侧虚线框内的经典世界要么出现0要么出现1。右侧的虚线框内的量子世界就很奇特，既可以独立出现0和1，也可以出现0和1的叠加态，也就是0和1同时存在。这种叠加态其实对于我们生活在宏观世界的人来说很难想象。因为我们从出生到现在见到的世界里的状态都是某一个确定的状态，比如光子要么处于水平偏振，要么就是竖直偏振。一只猫，要么是死的，要么就是活的。同时处于死和活的状态是一种什么样子，我们根本想象不出来。所以在量子力学建立的早期，许多量子物理学家都很难接受其他人甚至自己提出的一些理论带来的“奇怪”结论。其中对于叠加态的质疑就是著名的薛定谔的猫。物理学家们通过猫能否同时处于死和活的状态来质疑量子力学的正确性。因为按照量子理论，微观世界的粒子是有叠加态的。但是宏观世界，我们的生活经验告诉我们，这是不可能的。因为我们从未看到过一只猫既是死的又是活的。物理学家们通过将猫的死活状态和微观粒子的状态绑定在一起，想从猫不可能同时处于死和活这个宏观 世界的事实反过来质疑量子力学叠加态是不成立的。至于为什么宏观世界看不到薛定谔猫这种现象，开放系统理论认为宏观世界中的物体并不是一个孤立系统，周围有很多物体和其相互作用，这就导致了量子态的退相干，很难处于量子世界中的叠加态，也就解释了为什么我们无法在经典世界中看到这类现象。 另一个重要的概念是纠缠态。纠缠态是两个或多个系统的状态不能表示为各个系统量子态直积形式的态。以两个物体为例，通常在没有任何关联的情况下，物体1的状态为1，物体2的状态为2。将他们看成一个复合体系来表达，其状态为21，其中为直积符号。有时为了简便，省略中间的直积符号，直接写为21。如果是纠缠态，其复合系统的状态就无法写成直积形式，也就是21。以光子为例，如果两个光子组成的复合系统的偏振状态表达式为2121VVHH21，其无法写成两个光子各自状态的直积形式。此时两个光子之间是纠缠的，对其中一个光子进行H/V 测量，如果测量结果为H，则另外一个光子的状态也是H。同样测量到V，则另外一个光子的状态就变为V。目前的量子理论认为这种关联是非局域的。当两个相距很