7月11日，中國科大網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院和陸軍院士工作室李忠輝博士為第一作者、薛開平教授為通訊作者的量子網(wǎng)絡(luò)綜述論文“Entanglement-Assisted Quantum Networks: Mechanics, Enabling Technologies, Challenges, and Research Directions”在通信領(lǐng)域知名期刊《IEEE Communications Surveys and Tutorials》在線發(fā)表。

糾纏輔助的量子網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圖譜

該工作首次構(gòu)建了糾纏輔助的量子網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)圖譜，從量子力學(xué)基礎(chǔ)原理、糾纏使能的量子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)組件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、量子應(yīng)用等多個(gè)角度對(duì)糾纏輔助的量子網(wǎng)絡(luò)這一前沿性研究領(lǐng)域進(jìn)行了深刻且全面的描述，具體分析了該領(lǐng)域所面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，并清晰地指出了該領(lǐng)域在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方面的未來研究方向，對(duì)于未來量子互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建與發(fā)展具有重要意義和深遠(yuǎn)影響。

這項(xiàng)研究得到了安徽省量子通信與量子計(jì)算機(jī)重大項(xiàng)目引導(dǎo)性項(xiàng)目（AHY150300）、科技部科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目（2021ZD0301301），以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員支持項(xiàng)目（Y202093）的資助。

/目錄/

一、相關(guān)使能技術(shù)

1.1.?糾纏的制備與分發(fā)

1.2.?量子密集編碼

1.3.?量子隱形傳態(tài)

1.4.?糾纏純化

1.5.?量子糾錯(cuò)

1.6.?糾纏交換

1.7.?量子存儲(chǔ)器

二、糾纏輔助的量子網(wǎng)絡(luò)

2.1.?基本構(gòu)成

2.2.?發(fā)展階段

2.3.?經(jīng)典通信與量子通信

2.4.?與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

2.5.?網(wǎng)元

2.6.?網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.7. 工作原理

三、挑戰(zhàn)與突破

3.1. 不完美的量子系統(tǒng)

3.2.?整合各種物理資源

3.3.?經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)與量子網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用

3.4. 相關(guān)突破性進(jìn)展

四、三大后續(xù)研究方向

在這一節(jié)中，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)回顧了一些支持糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中量子節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通的使能技術(shù)：從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)糾纏分發(fā)到量子比特傳輸，例如量子密集編碼、量子隱形傳態(tài)、糾纏凈化、量子糾錯(cuò)、糾纏交換和量子存儲(chǔ)器。此外，還討論了這些使能技術(shù)的功能、介紹了這些使能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，以證明糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的建立為時(shí)不遠(yuǎn)。

1）糾纏的制備與分發(fā)

糾纏在量子信息傳輸中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)橥ㄐ鸥鞣叫枰蚕砑m纏的量子比特對(duì)。因此，需要一種能使量子節(jié)點(diǎn)發(fā)生糾纏的量子技術(shù)，作為糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的基石。一般來說，相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間建立糾纏是通過兩個(gè)關(guān)鍵操作來實(shí)現(xiàn)的：糾纏制備和糾纏分發(fā)。其中，糾纏制備旨在產(chǎn)生糾纏量子比特，而糾纏分發(fā)則使準(zhǔn)備好的糾纏量子比特在量子通道的幫助下被空間上分離的量子節(jié)點(diǎn)共享。在此，團(tuán)隊(duì)介紹了三種典型方案，它們可以通過制備和分發(fā)糾纏量子比特在相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間建立糾纏：

- 參數(shù)下變頻方案。第一種方案是借助基于非線性晶體的自發(fā)參數(shù)下轉(zhuǎn)換（SPDC）過程實(shí)現(xiàn)的。由于高效偏振控制元件的可用性以及大多數(shù)材料對(duì)雙折射熱誘導(dǎo)漂移的相對(duì)不敏感性，偏振光子通常被用于產(chǎn)生糾纏量子比特的實(shí)驗(yàn)中。在實(shí)驗(yàn)中，這一方案已被成熟地用于演示量子密集編碼、隱形傳態(tài)和貝爾不等式的測試。目前，基于非線性光學(xué)材料的 SPDC 過程仍是糾纏制備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；?SPDC 的糾纏光源的未來發(fā)展方向是降低損耗，提高糾纏的純度和程度，并與微納米光子器件相結(jié)合，提高糾纏光源的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。

基于參數(shù)下變頻的 Alice 和 Bob 之間的糾纏分發(fā)。

- 單原子激發(fā)方案。另一種在兩個(gè)空間隔離的量子節(jié)點(diǎn)之間制備和分發(fā)糾纏量子比特的方案是基于單原子激發(fā)實(shí)現(xiàn)的。該方案利用與光腔緊密耦合的原子，在由光子通道直接連接的兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間建立糾纏。具體來說，量子節(jié)點(diǎn)Alice通過激光束將原子的內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移到空腔模式的光學(xué)狀態(tài)。換句話說，原子首先在Alice處被激光束激發(fā)，發(fā)射出的光子與原子的內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生糾纏。然后，原子糾纏光子從Alice的空腔中釋放出來，沿著光子通道移動(dòng)，進(jìn)入量子節(jié)點(diǎn)Bob的另一個(gè)空腔。在Bob的空腔中，光子被相干吸收，其偏振被映射到原子的內(nèi)部狀態(tài)上。因此，位于Alice和Bob處的兩個(gè)原子發(fā)生了遠(yuǎn)程糾纏。

基于單原子激發(fā)的 Alice 和 Bob 之間的糾纏分發(fā)。

- 雙原子激發(fā)方案。第三種糾纏分布方案基于兩個(gè)原子同時(shí)受激而實(shí)現(xiàn)。首先，在 Alice 和 Bob 處同時(shí)有兩束激光激發(fā)兩個(gè)原子，這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)局部空腔發(fā)射出一個(gè)與相應(yīng)原子糾纏的光子。然后，兩個(gè)與原子糾纏的光子離開本地空腔，作為一個(gè)波包沿量子通道傳播，到達(dá)分光器，在那里進(jìn)行 BSM 操作，以實(shí)現(xiàn)糾纏交換。完成 BSM 操作后，位于 Alice 處的原子與 Bob 的原子建立糾纏，即一對(duì)糾纏原子被分配給 Alice 和 Bob。與單原子激發(fā)方案相比，雙原子激發(fā)方案可以在第三方的協(xié)助下有效延長糾纏分發(fā)的距離。然而，目前雙原子激發(fā)方案的實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)與負(fù)責(zé)執(zhí)行 BSM 操作并同時(shí)分發(fā)糾纏量子比特的第三方對(duì)稱連接，這大大阻礙了該方案在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

基于兩個(gè)原子同時(shí)激發(fā)的 Alice 和 Bob 之間的糾纏分發(fā)。

2）量子密集編碼

在經(jīng)典信息論中，信道可傳輸經(jīng)典信息量的上限稱為信道容量。然而，在量子糾纏和疊加原理的幫助下，通過量子信道傳輸?shù)慕?jīng)典信息量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這一上限。為了實(shí)現(xiàn)信道容量的提升，貝內(nèi)特于 1992 年首次從理論上提出了量子密集編碼方案，它的出現(xiàn)打破了 Holevo 邊界——即一個(gè)量子比特最多可攜帶一個(gè)經(jīng)典比特的經(jīng)典信息。貝內(nèi)特的方案表明，只需傳輸一個(gè)量子比特，就能將兩個(gè)經(jīng)典比特從Alice傳輸?shù)脚cAlice糾纏在一起的Bob。這樣，糾纏輔助經(jīng)典信息傳輸方法的信道容量是原來的兩倍。從形式上看，量子密集編碼是一種利用糾纏特性傳輸經(jīng)典比特的量子通信技術(shù)。

利用貝爾態(tài)糾纏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)量子密集編碼的過程如圖所示。Alice和Bob首先通過量子信道共享一對(duì)由 EPR 源分發(fā)的糾纏量子比特（即貝爾態(tài)）。然后，Alice通過對(duì)她本地?fù)碛械募m纏量子比特進(jìn)行相應(yīng)的量子操作，編碼兩個(gè)經(jīng)典比特（00、01、10 或 11），并通過量子信道將這個(gè)糾纏量子比特發(fā)送給Bob。收到編碼的糾纏量子比特后，Bob對(duì)兩個(gè)糾纏量子比特執(zhí)行本地 BSM 操作，以解碼傳輸?shù)慕?jīng)典比特。這樣，Bob就可以根據(jù)他所擁有的糾纏系統(tǒng)的最終狀態(tài)，獲得Alice想要發(fā)送的兩個(gè)經(jīng)典比特。?

量子密集編碼電路

與 QKD 技術(shù)只能分發(fā)用于確保經(jīng)典通信安全的隨機(jī)密鑰不同，量子密集編碼可以利用糾纏量子比特對(duì)在通信雙方之間直接傳輸特定的二進(jìn)制位串，進(jìn)一步提高了經(jīng)典通信的安全性。

3）量子隱形傳態(tài)

1993 年，Bennett 等人首次提出了量子隱形傳態(tài)的概念，率先探索了利用經(jīng)典通信和糾纏量子比特將未知量子比特從一個(gè)節(jié)點(diǎn)直接遠(yuǎn)距傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，并于 1997 年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示。從形式上看，量子隱形傳態(tài)是一種量子技術(shù)，它利用經(jīng)典通信和量子糾纏的特性，在通信雙方之間傳輸量子信息，即使他們沒有通過量子信道連接。換句話說，與Alice共享貝爾態(tài)的Bob可以根據(jù)Alice發(fā)送的經(jīng)典信息，在本地完美“復(fù)制”Alice想要傳輸?shù)奈粗孔颖忍?#xff0c;從而實(shí)現(xiàn)通信雙方之間的量子信息傳輸，而不會(huì)受到量子信道噪聲的影響。

QKD 和量子密集編碼只能利用量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息（隨機(jī)密鑰和特定二進(jìn)制位）的傳輸。換句話說，QKD 和量子密集編碼通常被用作保護(hù)Alice和Bob之間經(jīng)典通信的輔助工具。QKD 在現(xiàn)有技術(shù)條件下易于實(shí)現(xiàn)，是首個(gè)部署并用于提供安全服務(wù)的量子安全通信技術(shù)。與旨在為通信雙方分發(fā)隨機(jī)密鑰的 QKD 技術(shù)不同，量子密集編碼可以實(shí)現(xiàn)特定經(jīng)典二進(jìn)制比特的傳輸。然而，其實(shí)際應(yīng)用受到物理設(shè)備發(fā)展的限制。與量子密集編碼類似，隱形傳態(tài)也需要通信雙方共享糾纏量子比特。然而，量子隱形傳態(tài)與量子密集編碼有著本質(zhì)區(qū)別，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)的是量子信息而非經(jīng)典信息的傳輸。此外，在量子隱形傳態(tài)過程中，被隱形傳態(tài)的量子比特的狀態(tài)不受測量后坍縮的影響。因此，與 QKD 和量子密集編碼相比，量子隱形傳態(tài)在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著更關(guān)鍵的作用。

為了實(shí)現(xiàn)量子比特的“復(fù)制”，未知量子比特的所有信息都必須分為經(jīng)典信息和量子信息，并分別通過經(jīng)典信道和量子信道發(fā)送給Bob。值得注意的是，未知量子比特的量子信息不會(huì)通過現(xiàn)實(shí)物理信道傳輸給Bob。由于貝爾態(tài)的非局域性，未知量子比特的量子信息可以在 BSM 操作后瞬間“轉(zhuǎn)移”到 Bob 的糾纏量子比特上。因此，量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)只需要在通信雙方共享糾纏態(tài)后通過經(jīng)典信道傳輸經(jīng)典信息，即未知量子比特的傳輸不受量子信道噪聲的干擾。

標(biāo)準(zhǔn)量子隱形傳態(tài)系統(tǒng)。糾纏分發(fā)后，Alice 和 Bob 共享貝爾態(tài)，即各自在本地?fù)碛幸粋€(gè)糾纏量子比特。然后，Alice對(duì)想要發(fā)送給Bob的未知量子比特和本地糾纏量子比特一起執(zhí)行 BSM 操作，并通過經(jīng)典信道將測量結(jié)果（兩個(gè)經(jīng)典比特 00、01、10 或 11）發(fā)送給Bob。最后，根據(jù)測量結(jié)果，Bob對(duì)自己的糾纏量子比特進(jìn)行相應(yīng)的酉操作，得到被隱形傳態(tài)量子比特的“副本”——即被隱形傳態(tài)量子比特的狀態(tài)信息被映射到Bob的本地糾纏量子比特上。因此，借助量子隱形傳態(tài)技術(shù)，未知的量子比特可以從Alice傳給Bob，無論他們相隔多遠(yuǎn)。

最值得注意的是，雖然量子隱形傳態(tài)可以在沒有真實(shí)物理信道的情況下傳送量子信息，但未知量子比特的傳播速度不會(huì)超過光速，因?yàn)榱孔与[形傳態(tài)離不開經(jīng)典通信。此外，雖然被隱形傳態(tài)的量子比特不會(huì)直接受到信道噪聲的影響，但信道噪聲會(huì)導(dǎo)致通信雙方共享一個(gè)低保真度的糾纏系統(tǒng)，從而影響量子隱形傳態(tài)的成功概率。因此，需要在量子節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)高保真糾纏分發(fā)，以有效實(shí)現(xiàn)量子比特變換。

4）糾纏純化

糾纏純化最初是在量子通信的背景下提出的，是為了解決在有噪聲的量子信道上進(jìn)行長距離通信的問題。由于量子比特極其脆弱，量子信道中的噪聲以及與不可控環(huán)境（包括量子存儲(chǔ)器和測量設(shè)備）的相互作用，都會(huì)導(dǎo)致預(yù)期的糾纏量子比特只能以一定的非單位保真度產(chǎn)生。因此，純糾纏系統(tǒng)在噪聲量子信道上分布后會(huì)衰變?yōu)榛旌霞m纏系統(tǒng)，從而導(dǎo)致量子信息處理中的各種誤差。值得注意的是，遠(yuǎn)距離量子節(jié)點(diǎn)共享的高保真糾纏系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能和可靠的量子應(yīng)用至關(guān)重要。例如，保真度直接影響量子傳感中的測量精度。更高的保真度可以提供更精確的測量結(jié)果，從而提高應(yīng)用的可靠性和準(zhǔn)確性。保真度低的糾纏系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致量子傳感的不準(zhǔn)確性或不可預(yù)測性增加。? 因此，在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中需要一種能夠保護(hù)量子信息的設(shè)計(jì)。最著名的方法是糾纏純化——即通過提高糾纏系統(tǒng)的質(zhì)量來保護(hù)量子信息。

糾纏純化是利用局部測量和經(jīng)典通信（LOCC）從一些部分糾纏態(tài)中提取最大糾纏態(tài)的過程。也就是說，糾纏純化是從低質(zhì)量糾纏集合中提煉出高保真糾纏的有力工具，在遠(yuǎn)距離量子信息傳輸中起著至關(guān)重要的作用。簡而言之，糾纏純化可以提高糾纏系統(tǒng)的保真度，但代價(jià)是減少糾纏量子比特對(duì)的數(shù)量。?

如圖所示，在糾纏凈化之前，有 M 份保真度為 F1 的非最大糾纏態(tài)。在糾纏純化過程中，這些糾纏的量子比特對(duì)會(huì)被處理，從而產(chǎn)生數(shù)量更少、噪聲更小的副本。因此，在糾纏純化后，會(huì)從原始的 M 個(gè)非最大糾纏量子比特對(duì)生成 N 對(duì)保真度為 F2 的糾纏量子比特對(duì)，即 N < M 且 F1 < F2。

糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)需要高效、低開銷的糾纏凈化方案，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的糾纏分發(fā)。一方面，由于量子信道的固有損耗和噪聲，在相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間成功分發(fā)糾纏量子比特對(duì)具有挑戰(zhàn)性。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)糾纏分發(fā)的成功概率通常與量子信道的物理長度成負(fù)指數(shù)關(guān)系。因此，相鄰量子節(jié)點(diǎn)共享的糾纏量子比特對(duì)是一種稀缺的網(wǎng)絡(luò)資源。糾纏凈化方案需要盡可能高效，以提高糾纏資源的利用率。另一方面，兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的量子端節(jié)點(diǎn)共享的糾纏態(tài)的保真度約等于所選路徑上測量到的糾纏態(tài)保真度的乘積。?

為了產(chǎn)生高質(zhì)量的端到端糾纏，糾纏通常需要經(jīng)過純化才能具有高保真度。因此，需要在相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行多輪純化操作，從而消耗更多的糾纏資源。低開銷的糾纏凈化方案有助于提高糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的性能。

5）量子糾錯(cuò)

量子通信是量子信息處理最復(fù)雜的應(yīng)用。然而，量子比特在有噪聲的物理信道上傳輸不可避免地會(huì)導(dǎo)致量子信息出錯(cuò)，這大大阻礙了量子通信的商業(yè)應(yīng)用。因此，如何在傳輸量子信息時(shí)充分保留其量子特性是一個(gè)至關(guān)重要的問題。參照經(jīng)典通信，量子通信需要能夠在傳輸過程中保護(hù)量子信息或在傳輸后恢復(fù)量子信息的量子糾錯(cuò)（QEC）設(shè)計(jì)。在這種情況下，QEC 碼作為一種有效的糾錯(cuò)方法被引入，利用特定的編碼來保護(hù)量子信息。

雖然設(shè)計(jì) QEC 碼的想法與經(jīng)典糾錯(cuò)碼的想法類似：即以合適的方式引入冗余信息以提高信息的抗干擾能力，但由于量子力學(xué)的獨(dú)特性，它并不是經(jīng)典糾錯(cuò)碼的簡單擴(kuò)展。設(shè)計(jì) QEC 代碼面臨三大挑戰(zhàn)：

- 無克隆定理：對(duì)于經(jīng)典糾錯(cuò)碼來說，冗余信息是通過準(zhǔn)備單個(gè)比特的多個(gè)副本引入的；然而量子比特嚴(yán)格遵循無克隆定理。因此，復(fù)制量子比特來引入冗余量子信息是不可能的。

- 錯(cuò)誤是連續(xù)的：在經(jīng)典通信中，單個(gè)比特的狀態(tài)是確定的；因此，經(jīng)典信息的誤差只需考慮比特翻轉(zhuǎn)誤差。然而，由于疊加原理，量子信息的誤差程度大于經(jīng)典信息的誤差。量子比特既容易受到比特翻轉(zhuǎn)的影響，也容易受到相位翻轉(zhuǎn)的影響。因此，QEC 代碼必須具備同時(shí)檢測錯(cuò)誤類型的能力。

- 測量后崩潰：在經(jīng)典系統(tǒng)中，可以測量比特寄存器的任意屬性，而不會(huì)有損害編碼信息以獲取錯(cuò)誤模式的風(fēng)險(xiǎn)。然而，量子世界中的任何測量操作都會(huì)破壞量子比特的狀態(tài)，使其無法恢復(fù)。

與經(jīng)典糾錯(cuò)碼相比，這些問題使得設(shè)計(jì)量子糾錯(cuò)碼具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。

幸運(yùn)的是，上述問題對(duì)于 QEC 代碼設(shè)計(jì)來說都不是致命的。我們可以采用一些巧妙的方法來克服這些難題。首先，為了打破無克隆定理的限制，可以將單個(gè)量子比特編碼為復(fù)雜的糾纏態(tài)。這樣，我們就可以在不違反量子力學(xué)基本原理的前提下，在 QEC 編碼中引入冗余信息。其次，雖然量子誤差的種類是一個(gè)連續(xù)體，但它是三個(gè)基本量子誤差（對(duì)應(yīng)于三個(gè)泡利矩陣）的線性組合。因此，只要糾正了這三個(gè)基本量子誤差，所有量子誤差都可以被糾正。最后，量子誤差模式可以通過一種特殊的投影測量來獲得，這種測量被稱為“穩(wěn)定器測量”：即只測量一些額外的量子比特，而不是所有的量子比特。這樣，量子相干性得以保持，而測量操作的結(jié)果可以完全反映量子誤差模式。?

總之，這些新穎的想法為設(shè)計(jì)糾正量子錯(cuò)誤的QEC代碼鋪平了道路，從而加速了量子信息技術(shù)的發(fā)展。

6）糾纏交換

在遙遠(yuǎn)的量子節(jié)點(diǎn)之間建立糾纏是實(shí)現(xiàn)分布式量子應(yīng)用的重要基石之一。然而，兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間直接分發(fā)糾纏的成功可能性會(huì)隨著量子信道的物理距離呈指數(shù)級(jí)下降，也就是說，要讓兩個(gè)遙遠(yuǎn)的量子節(jié)點(diǎn)共享糾纏的量子比特對(duì)是極其困難的。因此，在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中，需要一種能將糾纏分發(fā)距離從短距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)擴(kuò)展到遠(yuǎn)程的端對(duì)端量子技術(shù)。然而，量子信息技術(shù)嚴(yán)格遵循無克隆定理。因此，經(jīng)典通信中采用的信號(hào)放大和再生方法在遠(yuǎn)距離量子通信中不起作用。受量子隱形傳態(tài)的啟發(fā)，從糾纏量子比特對(duì)中分離出來的糾纏量子比特可以從一個(gè)量子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)量子節(jié)點(diǎn)，從而在兩個(gè)遙遠(yuǎn)的量子節(jié)點(diǎn)之間建立糾纏，糾纏交換作為一種有效的解決方案被提出來，用于在遙遠(yuǎn)的量子節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生長距離糾纏。

糾纏交換的原理。

糾纏交換本質(zhì)上是一種 LOCC 操作，用于有效延長糾纏分發(fā)的距離。值得注意的是，在遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)過程中，糾纏交換會(huì)帶來一些網(wǎng)絡(luò)問題。首先，由于物理設(shè)備的不完善，糾纏交換呈現(xiàn)出概率性特征。因此，在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中，選擇一條遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)成功概率高的路徑至關(guān)重要。此外，與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)不同，交換操作可以在選定的路徑上并行執(zhí)行，以提高糾纏分發(fā)率。不過，考慮到糾纏交換的概率特性，在遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)過程中需要對(duì)糾纏進(jìn)行跟蹤。由于測量后的坍縮現(xiàn)象，還需要避免交換操作對(duì)糾纏資源的競爭。因此，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)需要管理并行執(zhí)行交換操作。

7）量子存儲(chǔ)器

量子存儲(chǔ)器在很多方面都很重要，包括單光子源、量子中繼器、無漏洞貝爾不等式測試、通信復(fù)雜性協(xié)議和精密測量的實(shí)現(xiàn)。量子存儲(chǔ)器之所以重要有幾個(gè)原因。首先，作為最小的微觀粒子單位，量子態(tài)容易受到噪聲環(huán)境的影響。另一個(gè)原因是糾纏準(zhǔn)備和遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)過程中的量子操縱都具有概率特征。因此，量子存儲(chǔ)器是在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)和同步隨機(jī)生成的糾纏量子比特所必需的。

上表從四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即保真度、效率、壽命和室溫實(shí)用性，對(duì)三種量子存儲(chǔ)器進(jìn)行了全面比較。

固態(tài)量子存儲(chǔ)器在保真度和壽命方面表現(xiàn)出色，這是由于固態(tài)材料，尤其是摻稀土離子的固態(tài)材料，具有較長的光學(xué)相干時(shí)間和較寬的光學(xué)吸收帶寬。固態(tài)量子存儲(chǔ)器的保真度可達(dá) 0.999、壽命可達(dá)秒量級(jí)。然而，目前實(shí)現(xiàn)的固態(tài)量子存儲(chǔ)器效率較低（僅為 56%），在室溫下性能較差。由于光子不易被原子吸收，原子團(tuán)量子存儲(chǔ)器在效率方面表現(xiàn)良好。然而，原子序列量子存儲(chǔ)器的保真度和壽命性能較差，因?yàn)樵舆\(yùn)動(dòng)非常劇烈，它們之間的碰撞會(huì)產(chǎn)生很高的噪聲。光量子存儲(chǔ)器在室溫下具有良好的實(shí)用性，但由于光子損耗和通道噪聲，在保真度、效率和壽命方面表現(xiàn)較差。總之，每種類型的量子存儲(chǔ)器都有其優(yōu)缺點(diǎn)，如何在實(shí)際應(yīng)用場景中發(fā)揮它們的優(yōu)勢仍有待探索。

在過去幾十年中，量子存儲(chǔ)器已從最初的理論論證發(fā)展到如今接近實(shí)用，為量子信息技術(shù)提供了優(yōu)勢。在最新的研究中，量子存儲(chǔ)器在實(shí)驗(yàn)室條件下的存儲(chǔ)保真度高達(dá) 99%。此外，最新的量子存儲(chǔ)器可以將一個(gè)光子存儲(chǔ)一個(gè)多小時(shí)。與經(jīng)典存儲(chǔ)器類似，量子存儲(chǔ)器可視為多個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)單元的組合，具有高保真、高效率和長存儲(chǔ)時(shí)間的特點(diǎn)。能夠提供靈活存儲(chǔ)服務(wù)的量子存儲(chǔ)器有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)，從而促進(jìn)量子中繼器的發(fā)展，進(jìn)一步支持糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)。

從物理結(jié)構(gòu)上看，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)可視為由物理通道、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和量子終端節(jié)點(diǎn)三種網(wǎng)元(network ?elements)組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。首先，物理通道用于在相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間傳輸微觀粒子；其次，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如量子中繼器和量子路由器）是構(gòu)建大規(guī)模、廣域糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。量子中繼器利用糾纏的獨(dú)特特性，克服了物理信道固有損耗造成的距離限制，從而擴(kuò)大了通信范圍。量子路由器旨在匯聚眾多量子節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。量子終端節(jié)點(diǎn)通過傳輸和處理量子信息來支持其上運(yùn)行的頂級(jí)量子應(yīng)用。

大規(guī)模廣域糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的抽象結(jié)構(gòu)

具體來說，少量量子終端節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和物理通道的輔助下匯聚成小規(guī)模局域量子網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過物理通道互聯(lián)，形成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的廣域核心量子網(wǎng)絡(luò)，即云圖標(biāo)。這樣，核心量子網(wǎng)絡(luò)就可以將許多局域量子網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而形成一個(gè)大規(guī)模、廣域的糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)。任何一對(duì)相鄰的量子節(jié)點(diǎn)都可以通過共享糾纏量子比特對(duì)建立糾纏鏈路，這是量子信息傳輸?shù)闹匾Y源。在量子路由器和量子中繼器的幫助下，任何一對(duì)量子終端節(jié)點(diǎn)都可以通過沿選定路徑“耦合”多個(gè)糾纏鏈路來建立長距離糾纏連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子信息傳輸。

1）基本構(gòu)成

上圖從量子力學(xué)、使能技術(shù)、網(wǎng)元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和各種量子應(yīng)用等方面闡述了糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)涵。

首先，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)遵循量子力學(xué)的基本規(guī)律，如不可克隆定理、疊加態(tài)、不確定性原理和量子糾纏。這些在經(jīng)典力學(xué)中沒有對(duì)應(yīng)物的獨(dú)特特性，使量子信息技術(shù)與經(jīng)典信息技術(shù)相比具有巨大優(yōu)勢。量子信息的制備、存儲(chǔ)、傳輸和處理都受量子力學(xué)獨(dú)特性質(zhì)的支配。因此，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有著本質(zhì)區(qū)別。

其次，使能技術(shù)是糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)不同，遠(yuǎn)距離量子節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)互通是基于糾纏實(shí)現(xiàn)的。因此，糾纏制備、糾纏純化和糾纏交換在建立遠(yuǎn)距離量子節(jié)點(diǎn)之間的高保真糾纏方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些使能技術(shù)能夠支持量子隱形傳態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸。

第三，物理網(wǎng)元，包括物理信道、量子終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、廣域糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的必要物理設(shè)備。值得注意的是，包括糾纏分發(fā)、糾纏交換和量子隱形傳態(tài)在內(nèi)的量子操作都是借助經(jīng)典通信實(shí)現(xiàn)的。因此，物理信道涉及量子信道和經(jīng)典信道。在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中，量子終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過物理信道按照特定規(guī)則連接起來，形成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建底層基礎(chǔ)設(shè)施。這種基礎(chǔ)設(shè)施是在量子終端節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)的理想平臺(tái)，從而支持各種量子應(yīng)用。雖然糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有本質(zhì)區(qū)別，但它們在網(wǎng)元的類別和功能上卻有相似之處。因此，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則可以為未來糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供指導(dǎo)。

第四，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)于在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)有效和高效的遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)至關(guān)重要。值得注意的是，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)不僅僅是用于建立端到端糾纏連接的多個(gè)獨(dú)立路徑的簡單集合。有必要對(duì)并發(fā)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)進(jìn)行管理，以便有序、高效地滿足應(yīng)用需求。此外，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中使用的管理解決方案無法直接應(yīng)用于糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)。因此，需要研究路由算法、調(diào)度方案和資源分配算法等網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，作為管理員管理并發(fā)任務(wù)，確保糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

最后，在量子終端節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的量子應(yīng)用，包括量子通信、量子計(jì)算、量子傳感和量子密碼學(xué)，可以充分挖掘量子信息技術(shù)的潛力。量子通信是應(yīng)用量子物理學(xué)中最有趣的應(yīng)用之一，與量子隱形傳態(tài)密切相關(guān)。它基于量子特性，實(shí)現(xiàn)了量子信息在通信雙方之間的無條件安全傳輸。量子計(jì)算是量子物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息論的完美結(jié)合。由于存在疊加態(tài)，量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算相比，速度可以呈指數(shù)級(jí)提升。因此，量子計(jì)算在大數(shù)據(jù)時(shí)代具有廣闊的應(yīng)用前景。量子傳感是最先進(jìn)的量子應(yīng)用之一。它利用量子資源，根據(jù)量子特性提高測量的靈敏度或精度，超越了經(jīng)典測量的可能性。因此，量子傳感可以顯著提升許多實(shí)際任務(wù)的性能，包括引力波探測、天文觀測、顯微鏡、目標(biāo)探測、數(shù)據(jù)讀取、原子鐘、生物探測等。量子密碼學(xué)是一門利用量子特性執(zhí)行密碼任務(wù)的科學(xué)。量子密碼學(xué)最著名和最發(fā)達(dá)的應(yīng)用是 QKD，它為經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的密鑰交換問題提供了一種信息理論上安全的解決方案。量子密碼學(xué)還對(duì)應(yīng)于與比特承諾廣泛相關(guān)的一系列其他想法，如量子秘密共享。?

總體而言，基于量子力學(xué)的獨(dú)特特征，量子應(yīng)用與經(jīng)典應(yīng)用相比具有顯著優(yōu)勢。值得注意的是，許多量子應(yīng)用需要量子終端節(jié)點(diǎn)來建立糾纏。因此，量子終端節(jié)點(diǎn)之間的遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)是糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的組成部分之一。

總之，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)可以被定義為由量子節(jié)點(diǎn)和遵循量子力學(xué)基本定律的物理通道組成的一種前景廣闊的平臺(tái)。這些網(wǎng)絡(luò)旨在支持突破性的量子應(yīng)用；它們在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的控制下，實(shí)現(xiàn)量子終端節(jié)點(diǎn)之間的遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)和量子信息傳輸。

2）發(fā)展階段

與經(jīng)典信息形成技術(shù)的發(fā)展軌跡類似，量子信息技術(shù)也將從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信發(fā)展到支持各種量子應(yīng)用的大規(guī)模糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)。糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)所能實(shí)現(xiàn)的功能是由量子物理設(shè)備的發(fā)展所驅(qū)動(dòng)的，因此這一發(fā)展軌跡顯示了不同階段功能的巨大多樣性。因此，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上，也體現(xiàn)在功能上。

糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展階段

-?量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（QKDN）

量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（QKDN）是一種量子網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)量子力學(xué)基本定律在 QKD 節(jié)點(diǎn)之間分發(fā)隨機(jī)秘鑰。這一階段與其他階段有很大不同，它主要是在理論上實(shí)現(xiàn)無條件安全密鑰分發(fā)，以增強(qiáng)經(jīng)典通信而非量子信息傳輸?shù)陌踩?。光器件?QKD 協(xié)議推動(dòng)了 QKDN 的發(fā)展：光器件的成熟推動(dòng)了 QKD 技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用；目前，一些小規(guī)模的 QKDN 已可用于商業(yè)服務(wù)，衛(wèi)星到地面的 QKDN 也已在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

值得注意的是，量子信道的固有損耗和噪聲極大地限制了相鄰 QKD 節(jié)點(diǎn)之間的密鑰分發(fā)速率。例如，第一個(gè) QKD 城域網(wǎng)絡(luò) DARPA 只能提供最大密鑰速率為 10kbps 的密鑰分發(fā)服務(wù)。為了有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離密鑰分發(fā)，這些 QKD 網(wǎng)絡(luò)主要采用可信中繼器來克服距離限制?？尚胖欣^器是一類包含多對(duì)量子發(fā)射器和接收器的量子設(shè)備，其工作原理是利用經(jīng)典加密運(yùn)算（如 XOR 運(yùn)算）傳輸量子密鑰。然而，在現(xiàn)實(shí)世界的 QKDN 中，保證所有可信中繼器都是完全可信的具有挑戰(zhàn)性。因此，基于可信中繼器的遠(yuǎn)程密鑰分發(fā)面臨著嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。??

幸運(yùn)的是，人們提出了一些創(chuàng)新的 QKD 協(xié)議，如獨(dú)立于測量設(shè)備的 QKD（MDI-QKD）和雙場 QKD（TF-QKD），通過引入不受信任的第三方來克服距離限制，從而提高遠(yuǎn)程密鑰分發(fā)率。然而，大規(guī)模 QKDN 需要集成可信中繼器和不可信第三方，這就降低了 QKDN 的安全等級(jí)。擴(kuò)大密鑰分發(fā)距離并實(shí)現(xiàn)高級(jí)別安全的一種方法是使用量子中繼器。量子中繼器通過執(zhí)行糾纏交換來建立遠(yuǎn)距離糾纏。在量子中繼器的幫助下，兩個(gè)遙遠(yuǎn)的 QKD 節(jié)點(diǎn)可以共享糾纏的量子比特對(duì)，并使用基于糾纏的 QKD 協(xié)議實(shí)現(xiàn)無條件安全的密鑰分發(fā)。然而，理想化的量子中繼器仍然不可用。

因此，建立大規(guī)模和廣域的 QKDN 來分發(fā)密鑰以支持經(jīng)典安全通信仍將是量子網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。

- 準(zhǔn)備與測量網(wǎng)絡(luò)（PMN）

由于光源和探測器等量子設(shè)備的飛速發(fā)展，這一階段試圖提供端到端的量子功能。換句話說，加密信息可以使用特定的編碼規(guī)則，以編碼量子比特的形式傳輸。因此，PMN 通過準(zhǔn)備和測量量子比特來實(shí)現(xiàn)端到端信息傳輸，這與 QKDN 中借助可信中繼器逐跳傳輸量子密鑰不同。?

在這一階段，任何量子節(jié)點(diǎn)都會(huì)編碼量子比特，并通過量子信道將其傳輸給下一個(gè)量子節(jié)點(diǎn)；然后，該節(jié)點(diǎn)測量接收到的量子比特，并根據(jù)測量結(jié)果準(zhǔn)備發(fā)送給下一節(jié)點(diǎn)的量子比特。在量子終端節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸過程中，通信路徑上的每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)既是編碼器又是解碼器。基于“準(zhǔn)備-測量”方法的經(jīng)典信息傳輸也被稱為量子安全直接通信（QSDC），它包括兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種基于單光子，另一種基于糾纏。

現(xiàn)在，光子損耗和量子退相干仍然是 PMN 的主要障礙。在遠(yuǎn)距離通信中保持經(jīng)典信息的準(zhǔn)確性是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，由于相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間 QSDC 的關(guān)鍵在于塊（即量子比特序列）傳輸，因此 PMN 非常依賴量子存儲(chǔ)器。需要注意的是，備和測量功能并不等同于傳輸任意量子信息，因?yàn)閭鬏數(shù)牧孔颖忍夭⒉皇俏粗?#xff0c;也就是說，其本質(zhì)仍然是傳輸經(jīng)典信息。

- 糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（EDN）

EDN 能以微觀或預(yù)示的方式實(shí)現(xiàn)端到端的糾纏分發(fā)。糾纏分發(fā)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了 EDN 的實(shí)施。在這一階段，通過沿由多個(gè)量子中繼器組成的中繼鏈重復(fù)執(zhí)行糾纏交換，建立端到端糾纏。如上所述，QKDN 和 PMN 中端到端安全通信的實(shí)現(xiàn)在很大程度上依賴于中間量子設(shè)備。在 QKDN 中，可信中繼器需要執(zhí)行經(jīng)典加密操作，以擴(kuò)大密鑰分發(fā)距離。每個(gè)可信中繼器不會(huì)惡意泄露量子密鑰的前提確保了端到端密鑰分發(fā)的安全性。?

在 PMN 中，實(shí)現(xiàn)端到端安全通信的前提是每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)都是安全的，即加密信息不會(huì)被量子節(jié)點(diǎn)惡意泄露。與前幾個(gè)階段相比，EDN 的主要進(jìn)步在于可以實(shí)現(xiàn)與設(shè)備無關(guān)的應(yīng)用協(xié)議。更具體地說，EDN 中的每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)都是不可信的，而一對(duì)量子終端節(jié)點(diǎn)之間的每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)端到端應(yīng)用協(xié)議都是透明的，即中間節(jié)點(diǎn)的信息泄露不會(huì)影響端到端應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。獨(dú)立于設(shè)備的應(yīng)用協(xié)議是根據(jù)糾纏特性實(shí)現(xiàn)的。這一階段不強(qiáng)烈要求量子節(jié)點(diǎn)配置量子存儲(chǔ)器。為了減少量子退相干的負(fù)面影響，糾纏分發(fā)通常按需觸發(fā)。因此，除了開發(fā)負(fù)責(zé)糾纏準(zhǔn)備的物理設(shè)備外，糾纏分發(fā)調(diào)度設(shè)計(jì)對(duì) EDN 的性能也至關(guān)重要。值得注意的是，現(xiàn)階段還無法實(shí)現(xiàn)多方糾纏的產(chǎn)生。

-?量子記憶網(wǎng)絡(luò)（QMNs）

量子記憶網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)得益于量子存儲(chǔ)器可以在室溫環(huán)境下像經(jīng)典存儲(chǔ)器一樣運(yùn)行這一事實(shí)。這一階段要求網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)本地量子存儲(chǔ)器。?

與在 EDN 中按需準(zhǔn)備糾纏量子比特不同，在 QMN 中，糾纏量子比特可以在量子存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)一段時(shí)間，這有助于減輕糾纏分發(fā)和糾纏交換等量子操作的概率特征。因此，通過利用局部量子存儲(chǔ)器的能力，QMN 可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子應(yīng)用，如盲量子計(jì)算 。這一階段是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。換句話說，量子網(wǎng)絡(luò)可以在任意一對(duì)量子終端節(jié)點(diǎn)之間確定性地傳輸量子信息，從而實(shí)現(xiàn)一些不太復(fù)雜的分布式量子任務(wù)。

此外，量子存儲(chǔ)器的大小對(duì) QMN 也至關(guān)重要。因此，開發(fā)大尺寸、高保真、高壽命、高效和室溫適用的量子存儲(chǔ)器對(duì)于實(shí)現(xiàn) QMNs 至關(guān)重要。

- 容錯(cuò)量子網(wǎng)絡(luò)（FQNs）

FQNs 通過分發(fā)糾纏量子比特來支持一些量子應(yīng)用。第四階段的特點(diǎn)是可以容錯(cuò)地執(zhí)行局部量子操作。容錯(cuò)意味著，通過增加網(wǎng)絡(luò)資源，所有由噪聲量子信道、測量設(shè)備和量子存儲(chǔ)器引起的錯(cuò)誤都可以忽略不計(jì)。因此，FQN 強(qiáng)烈需要高性能量子存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)更多網(wǎng)絡(luò)資源。此外，QEC 技術(shù)在 FQN 中也起著舉足輕重的作用。

在現(xiàn)階段，可用的容錯(cuò)本地操作允許執(zhí)行精度更高的本地量子計(jì)算和具有任意通信輪數(shù)的協(xié)議。簡而言之，我們可以消耗更多的網(wǎng)絡(luò)資源來緩解量子退相干，從而支持高質(zhì)量的量子比特操作。因此，除了 QMN 可以實(shí)現(xiàn)量子信息的確定性傳輸外，許多量子應(yīng)用，如時(shí)鐘同步和分布式量子計(jì)算，都可以在 FQN 中實(shí)現(xiàn)。

- 量子信息網(wǎng)絡(luò)（QINs）

這一階段是糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最后階段。在這一階段，眾多能夠制備、存儲(chǔ)、傳輸和操縱量子比特的量子節(jié)點(diǎn)相互連接，形成大規(guī)模的量子信息網(wǎng)絡(luò)。得益于物理設(shè)備和量子信息技術(shù)的成熟，量子退相干可以得到有效和高效的克服，網(wǎng)絡(luò)資源足以滿足這一階段并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。在這一階段，無論相隔多遠(yuǎn)，量子終端節(jié)點(diǎn)之間都能建立高保真糾纏，從而支持高性能應(yīng)用協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。QIN 允許每個(gè)量子終端節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)任意交換量子信息。與當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)類似，可以實(shí)現(xiàn)全球量子互聯(lián)網(wǎng)，以支持各種量子應(yīng)用。

現(xiàn)階段，物理設(shè)備和量子信息技術(shù)都有了顯著提高。因此，量子互聯(lián)網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)是解決路由設(shè)計(jì)、請(qǐng)求調(diào)度、資源分配和量子比特傳輸控制等網(wǎng)絡(luò)問題，以提高糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的性能，從而為用戶提供 QoS 服務(wù)。

3）經(jīng)典通信與量子通信

糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)受量子力學(xué)基本規(guī)律支配，與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有本質(zhì)區(qū)別。換句話說，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)革命性的網(wǎng)絡(luò)，而不是經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展產(chǎn)物。糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有許多不同之處。在此，團(tuán)隊(duì)考慮了未來處于最后發(fā)展階段的糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)（即 QIN），并簡要總結(jié)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的不同之處。

經(jīng)典通信與量子通信的全面比較

總之，量子通信與經(jīng)典通信有著本質(zhì)區(qū)別。經(jīng)典通信是沿著經(jīng)典信道逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的，而量子比特的傳輸則不同，它不受量子信道噪聲的影響。此外，由于不可克隆定理（no- cloning theorem），量子隱形傳態(tài)可以實(shí)現(xiàn)無條件的安全通信，這在經(jīng)典通信中是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。在量子通信中，兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)必須共享糾纏的量子比特對(duì)。只要糾纏在一起，無論通信雙方距離多遠(yuǎn)，都可以傳輸量子比特。最值得注意的是，遠(yuǎn)距離量子比特傳輸應(yīng)采用量子中繼器，因?yàn)榻?jīng)典通信中采用的信號(hào)再生和放大技術(shù)無法用于量子通信。雖然量子通信在安全性方面優(yōu)于經(jīng)典通信，但由于量子隱形傳態(tài)本質(zhì)上是一種 LOCC 操作，因此量子通信不能完全取代經(jīng)典通信。因此，經(jīng)典通信和量子通信在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中合作實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸。

4）與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

如上所述，量子通信與經(jīng)典通信有著本質(zhì)區(qū)別。因此，作為一個(gè)可以在任意量子節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸、支持各種量子應(yīng)用的前景廣闊的平臺(tái)，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有著顯著的不同。在這里，團(tuán)隊(duì)全面比較了糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)。從物理資源到協(xié)議棧的詳細(xì)比較如下所示：

糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的全面比較

TCP/IP 協(xié)議棧與糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的比較，說明了糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有顯著不同。

為糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的不同協(xié)議棧的表示方法，上述四種協(xié)議棧模型都承認(rèn)量子糾纏是糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵資源。?

總之，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有本質(zhì)區(qū)別。由于糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)受量子力學(xué)基本規(guī)律的支配，而經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中沒有與之對(duì)應(yīng)的規(guī)律，因此與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)具有顯著的優(yōu)勢。

首先，在信息傳輸方面，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)可以通過無克隆定理實(shí)現(xiàn)無條件安全通信，而這在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中是難以實(shí)現(xiàn)的。此外，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力也優(yōu)于經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)。在經(jīng)典世界中，計(jì)算能力受到摩爾定律的限制。然而，量子力學(xué)中的疊加原理可以有效克服摩爾定律的限制，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的指數(shù)級(jí)增長。因此，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)可以通過互聯(lián)多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步顯著提高計(jì)算能力。

此外，量子糾纏的非局域相關(guān)特性使得量子傳感比經(jīng)典傳感更加精確和靈敏。雖然糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比具有巨大優(yōu)勢，但其實(shí)現(xiàn)也面臨著從物理資源到網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)（如糾纏準(zhǔn)備和路由設(shè)計(jì)）等諸多挑戰(zhàn)。目前，學(xué)術(shù)界的研究人員和產(chǎn)業(yè)界的從業(yè)人員都在努力克服這些挑戰(zhàn)：學(xué)術(shù)界的研究人員專注于設(shè)計(jì)高效的方案，以提高糾纏純化和量子存儲(chǔ)器等使能技術(shù)的性能；產(chǎn)業(yè)界的研究人員則在探索使能技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)實(shí)用的物理器件。長壽命存儲(chǔ)方案、微量子芯片等一系列突破，為構(gòu)建抗噪能力強(qiáng)、量子比特傳輸速率高的高性能糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。

5）網(wǎng)元

為了支持長距離并發(fā)量子比特傳輸任務(wù)，眾多量子終端節(jié)點(diǎn)在物理通道和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的輔助下聯(lián)網(wǎng)。因此，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的要素主要包括物理通道、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和量子終端節(jié)點(diǎn)。在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)元是使量子技術(shù)發(fā)揮作用的實(shí)體。

使能技術(shù)與網(wǎng)元之間的連接圖。

通過采用糾纏制備和分發(fā)技術(shù)，EPR 源可以在量子通道的輔助下在相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間建立糾纏鏈路。此外，通過對(duì)量子存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的糾纏量子比特對(duì)進(jìn)行糾纏交換和糾纏凈化，還可以產(chǎn)生遠(yuǎn)距離糾纏。量子路由器或量子中繼器可與經(jīng)典信道合作實(shí)現(xiàn)這一功能。建立端到端糾纏后，量子終端節(jié)點(diǎn)可采用量子隱形傳態(tài)或量子密集編碼，借助量子糾錯(cuò)和量子存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)高性能信息傳輸。

網(wǎng)元及其功能可簡要概括如圖所示。

總之，量子路由器的功能與量子中繼器相似，但比量子中繼器更多。除了存儲(chǔ)糾纏量子比特和延長糾纏分發(fā)距離外，量子路由器還需要利用局部糾纏來連接不同鄰居的糾纏量子比特。簡而言之，量子路由器負(fù)責(zé)將糾纏分發(fā)流通過路由協(xié)議選擇的路徑從源節(jié)點(diǎn)延伸到目的節(jié)點(diǎn)。目前，量子路由的基礎(chǔ)研究問題已在多個(gè)系統(tǒng)中得到研究，但受到諸多限制。在物理設(shè)備發(fā)展的推動(dòng)下，未來的量子路由器有望高效地實(shí)現(xiàn)糾纏分發(fā)流的路由。

6）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

盡管一些有價(jià)值的工作探索了糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，但這些方案不利于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和協(xié)議棧設(shè)計(jì)。糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)之間的差異是由量子力學(xué)的獨(dú)特性造成的。然而，除 EPR 源外，它們具有相同的網(wǎng)絡(luò)組件，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也具有相同的功能。例如，部署中繼器來延長終端節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸距離，采用量子路由器來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和路由請(qǐng)求。在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中，EPR 源的目的是在相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間分配糾纏量子比特，為量子比特傳輸提供鏈路資源。與量子信道耦合的 EPR 源可類比于經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的經(jīng)典信道。因此，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)具有與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)類似的結(jié)構(gòu)。

廣域糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)

受經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)提出了開發(fā)廣域糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)。如圖所示，大規(guī)模廣域糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)骨干量子網(wǎng)絡(luò)和多個(gè) QLAN 組成。主干網(wǎng)絡(luò)是許多量子路由器、量子中繼器和 EPR 源的互連。更具體地說，任何一對(duì)短距離相鄰的量子路由器都可以通過量子通道與經(jīng)典通道協(xié)同直接連接。相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)相鄰量子路由器則可借助量子中繼器連接起來。此外，在骨干網(wǎng)絡(luò)中，任何一對(duì)相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間都部署了 EPR 源，以建立糾纏鏈路。這些節(jié)點(diǎn)對(duì)可以是中繼器對(duì)中繼器、中繼器對(duì)路由器或路由器對(duì)路由器。主干網(wǎng)絡(luò)旨在實(shí)現(xiàn)糾纏路由和建立遠(yuǎn)程糾纏。與經(jīng)典局域網(wǎng)類似，量子局域網(wǎng)由量子信息處理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和傳輸介質(zhì)三大部分組成。每個(gè)量子信息設(shè)備都是一個(gè)量子終端節(jié)點(diǎn)，可以處理各種量子任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備由量子路由器和 EPR 源組成。在量子局域網(wǎng)中，相鄰的量子節(jié)點(diǎn)通過傳輸介質(zhì)（即量子信道和經(jīng)典信道）連接起來。

QLAN 負(fù)責(zé)量子信息處理，從而為各種量子應(yīng)用提供了一個(gè)前景廣闊的平臺(tái)。在廣域糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè) QLAN 之間的量子信息交互是通過主干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。

7）工作原理

未來的糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的工作原理是在遙遠(yuǎn)的量子終端節(jié)點(diǎn)之間分發(fā)糾纏量子比特對(duì)，并進(jìn)行量子遠(yuǎn)距傳輸以傳輸量子信息，從而支持各種量子應(yīng)用。由于使能技術(shù)的顯著差異，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中端到端通信的實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)不同。

在此，團(tuán)隊(duì)以屬于不同 QLAN 的兩個(gè)量子終端節(jié)點(diǎn)（Alice 和 Bob）之間的量子通信為例，描述糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的工作原理。上圖展示了端到端通信在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)和糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中的一般實(shí)現(xiàn)方式。

1）不完美的量子系統(tǒng)

糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中量子系統(tǒng)的缺陷。

構(gòu)建未來糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的首要挑戰(zhàn)是量子系統(tǒng)固有的不完美。如圖所示，導(dǎo)致量子系統(tǒng)不完美的因素有很多。??

- 首先，在開放系統(tǒng)中，量子比特非常脆弱，因此容易受到噪聲環(huán)境的影響。因此，量子比特的壽命很短，也就是說，單個(gè)量子比特的狀態(tài)只能在制備后的很短時(shí)間內(nèi)保持。如果單個(gè)量子比特的狀態(tài)發(fā)生變化，它所攜帶的量子信息就會(huì)丟失。此外，量子比特遵循不可克隆定理。制作單個(gè)量子比特的副本不可能降低其壽命短的影響。因此，需要在量子比特產(chǎn)生后盡快對(duì)其進(jìn)行測量。?

- 其次，量子信道固有的光子損耗和噪聲不可避免地會(huì)在量子比特傳輸過程中造成損耗誤差和量子退相干，其結(jié)果是很難在相鄰量子節(jié)點(diǎn)之間建立完美的糾纏鏈路。??

- 第三，量子存儲(chǔ)器雖然可以提高量子比特的壽命，但其內(nèi)在噪聲會(huì)給量子系統(tǒng)帶來冗余量子退相干。此外，量子存儲(chǔ)器的容量受限于物理設(shè)備的不完整性。因此，量子存儲(chǔ)器很難像經(jīng)典存儲(chǔ)器那樣運(yùn)行良好。

- 最后，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中的量子操作呈現(xiàn)出概率特征。例如，糾纏準(zhǔn)備、糾纏交換和糾纏純化一般都是以一定概率成功進(jìn)行的。此外，由于量子硬件固有的噪聲環(huán)境，量子操作不可避免地會(huì)引入操作錯(cuò)誤。如上所述，量子系統(tǒng)在量子比特的制備、傳輸、存儲(chǔ)和操作等方面存在固有的不完善性，嚴(yán)重增加了將各種量子節(jié)點(diǎn)互聯(lián)以形成具有良好運(yùn)行性能的糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的難度。

2）整合各種物理資源

與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)類似，大規(guī)模、廣域的糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)通常由眾多異構(gòu)、小規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)組合而成。異構(gòu)量子網(wǎng)絡(luò)之間的差異體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，特別是物理資源上。在量子信息技術(shù)中，各種物理資源都可以用來支持量子網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。物理資源在量子比特的制備、傳輸和存儲(chǔ)方面各不相同。在量子比特的制備方面，離子、原子、光子、自旋和超導(dǎo)體都可以代表一個(gè)量子比特?，F(xiàn)有的每一種量子比特形式在不同的量子應(yīng)用中都顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。例如，基于光學(xué)的量子計(jì)算技術(shù)在可擴(kuò)展性和量子相干時(shí)間方面表現(xiàn)出優(yōu)勢，但它無法對(duì)量子比特進(jìn)行編程，也很難實(shí)現(xiàn)計(jì)算設(shè)備的小型化。

與光量子計(jì)算技術(shù)相比，基于超導(dǎo)技術(shù)的量子計(jì)算具有很強(qiáng)的可操作性和可集成性。此外，NV 色心、捕獲離子 、中性原子和超導(dǎo)電路都可以實(shí)現(xiàn)糾纏量子比特的制備。然而，量子比特只能在量子通道（包括光纖和自由空間）中以光子形式傳輸。值得注意的是，光子與物質(zhì)量子比特存在顯著差異。因此，需要量子信號(hào)轉(zhuǎn)換器來消除各種物理資源之間的差異?？傊?#xff0c;糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)需要提供一種合適的方法來抽象底層物理資源，從而使其具有全球可擴(kuò)展性，包括連接物理和邏輯異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。?

然而，考慮到量子系統(tǒng)的不完美和無克隆定理，在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中整合各種物理資源是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。

3）經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)與量子網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用

糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的工作原理是在量子節(jié)點(diǎn)之間分配糾纏量子比特對(duì)，即建立糾纏，以遠(yuǎn)距離傳輸量子比特，從而支持突破性的量子應(yīng)用。值得注意的是，每個(gè)量子操作，如糾纏交換、糾纏凈化和量子隱形傳態(tài)，都需要經(jīng)典通信的輔助。經(jīng)典信息通常用于控制量子操作和操作結(jié)果的反饋。??

因此，在糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中，量子節(jié)點(diǎn)之間不可避免地存在繁瑣的經(jīng)典信息交互。經(jīng)典交互的管理直接決定了量子操作能否準(zhǔn)確執(zhí)行。此外，值得注意的是，現(xiàn)實(shí)中的量子系統(tǒng)永遠(yuǎn)不會(huì)與環(huán)境完全隔離，量子系統(tǒng)在與噪聲環(huán)境交互時(shí)會(huì)發(fā)生量子退相干。因此，量子節(jié)點(diǎn)之間的經(jīng)典交互帶來的額外延遲會(huì)對(duì)糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

總之，需要將糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)有效協(xié)同。然而，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)受量子力學(xué)定律支配，在經(jīng)典世界中沒有對(duì)應(yīng)的量子力學(xué)定律。因此，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)與糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)之間的內(nèi)在差異仍需要研究人員進(jìn)一步關(guān)注。此外，安全問題也是阻礙糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的重要障礙。盡管量子力學(xué)定律確保了量子的優(yōu)越性，尤其是量子通信的安全性，但經(jīng)典通信仍然面臨安全風(fēng)險(xiǎn)。、此外，量子系統(tǒng)非常脆弱，物理干擾會(huì)嚴(yán)重影響糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，例如對(duì)量子中繼器的攻擊。必須改進(jìn)經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的安全系統(tǒng)，以確保糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)中量子操作的安全。

4）相關(guān)突破性進(jìn)展

雖然構(gòu)建糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)具有挑戰(zhàn)性，但第二次量子革命促進(jìn)了量子信息技術(shù)的發(fā)展，極大地催生了糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)。

上圖介紹了對(duì)構(gòu)建未來糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要的一些突破，包括物理器件、使能技術(shù)、量子應(yīng)用和現(xiàn)場試驗(yàn)。

總之，第二次量子革命極大地推動(dòng)了量子設(shè)備、使能技術(shù)和量子應(yīng)用的發(fā)展。這些突破使得在不久的將來構(gòu)建糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)成為可能。除了開發(fā)用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的量子硬件外，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)有效的糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)、支持各種量子應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

此篇綜述討論了量子力學(xué)的基本原理，展示了量子信息技術(shù)的優(yōu)勢，特別是在安全通信和巨大計(jì)算能力方面。糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)糾纏量子比特對(duì)的分發(fā)以及遠(yuǎn)距離量子終端節(jié)點(diǎn)之間量子比特的隱形傳態(tài)，是支持突破性量子應(yīng)用的前景廣闊的平臺(tái)。

隨后，團(tuán)隊(duì)介紹了構(gòu)建未來糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的基本使能技術(shù)，包括糾纏制備、量子密集編碼、糾纏交換、量子隱形傳態(tài)、量子存儲(chǔ)器等，并介紹了這些技術(shù)目前的研究進(jìn)展。此外，團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開使能技術(shù)和量子物理設(shè)備的推動(dòng)，并概述了糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的六個(gè)發(fā)展階段，強(qiáng)調(diào)了每個(gè)階段的能力。團(tuán)隊(duì)將糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)視為一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由眾多能夠進(jìn)行量子比特制備、傳輸、存儲(chǔ)和處理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。?

現(xiàn)存的挑戰(zhàn)包括不完善的量子系統(tǒng)、各種物理資源的整合以及經(jīng)典量子網(wǎng)絡(luò)和糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同作用。團(tuán)隊(duì)從經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中汲取靈感，總結(jié)了與網(wǎng)絡(luò)間問題相關(guān)的研究方向：

三大研究方向之間的關(guān)系圖示

- 架構(gòu)設(shè)計(jì)旨在將復(fù)雜的端到端量子比特傳輸問題分解為多個(gè)更容易解決的子問題。它提出了一個(gè)分層協(xié)議棧，并抽象了不同物理資源之間的差異，從而實(shí)現(xiàn)了糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的迭代發(fā)展。

- 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高性能的糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)，并為用戶提供 QoS。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是高效生成和應(yīng)用糾纏資源。具體來說，糾纏準(zhǔn)備調(diào)度旨在高效建立相鄰節(jié)點(diǎn)之間的糾纏鏈路，以減少遠(yuǎn)程糾纏分發(fā)延遲。糾纏路由設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)選擇一條“好”路徑，以實(shí)現(xiàn)較高的端到端糾纏建立率，從而提高量子比特傳輸速率。

- 糾纏凈化管理旨在以較小的糾纏資源開銷有效提高糾纏保真度。進(jìn)行糾纏交換控制是為了有效地建立端到端糾纏。糾纏請(qǐng)求調(diào)度旨在提高糾纏鏈路資源的利用率。糾纏資源分配負(fù)責(zé)高效、公平地分配糾纏鏈路。擁塞控制旨在減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而提高糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)化研究推動(dòng)了糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了大規(guī)模、廣域量子互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

本文的最后，研究團(tuán)隊(duì)表示：“我們堅(jiān)信，糾纏輔助量子網(wǎng)絡(luò)將越來越受到研究人員和從業(yè)人員的關(guān)注。這些網(wǎng)絡(luò)有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)，為量子信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用鋪平道路。”