摘要
量子信息不仅将重新塑造我们对计算和通信本质的看法，而且还将从根本上为实现高性能计算机体系结构和电信网络开辟新的可能性。当商用量子计算机完全可用时，我们的数据在传统互联网中将不再安全，因此将需要一种从根本上不同的网络结构：量子互联网。而量子计算霸权指量子计算机可以解决但超出经典计算机能力的任务和问题，量子互联网的量子霸权识别了量子互联网提供的但传统互联网不具备的属性和属性。
量子互联网使用量子力学的基本概念进行网络连接。量子互联网的主要属性是高级量子现象和协议（如量子叠加和量子纠缠、量子隐形传态和高级量子编码方法）、无条件安全性（量子密码学）和纠缠网络结构。
与传统中继器相比，由于不可克隆定理，量子中继器无法应用接收—复制—重传机制，该定理指出不可能对量子系统进行完美的复制。经典信息和量子信息本质之间的这种根本差异不仅导致了根本不同的网络机制；它还需要在量子互联网场景中定义新的网络服务。量子中继器单元中的量子存储器是任何全球规模的量子互联网的基本组成部分。与量子存储器单元相关的一个挑战是量子存储器增加了存储量子系统的噪声。然而，虽然量子中继器可以在不需要量子存储器的情况下实现，但事实上，这些单元对于保证在高性能量子网络场景中的最佳性能是必要的。
2019 年，国家量子倡议法案 (NQIA) 通过美国政府设立了量子研究基金，而欧盟 (EU) 成员国参与了欧洲量子通信基础设施 (EuroQCI) 倡议，是在2018 年紧随量子技术旗舰推出之后，根据 2016 年欧洲量子宣言。EuroQCI 主要关注整个欧洲的量子密钥分发 (QKD) 网络，该网络随后可以扩展到量子互联网，以在量子计算机之间传递量子信息。EuroQCI 网络由两个主要部分组成。地面部分将基于光纤的全国性系统与跨境链路连接起来，并包含卫星接收器地面站。正在部署试验台网络。空间部分将通过使用准备和测量协议的低地球轨道 (LEO)/中地球轨道 (MEO) 卫星或通过应用纠缠的地球静止轨道 (GEO) 卫星在遥远的地面站之间共享量子密钥材料- 基于协议。2017 年，中国开始研究实施全球规模的 QKD 网络。
本文的新颖贡献包括：回顾了量子互联网的基本结构特性，讨论了量子互联网相对于传统互联网的优势，总结了量子互联网的基本概念和使能技术，以及研究最近的实现基础和近期环境中的未解决问题。
序言
在量子互联网环境中，一个主要任务是通过一组称为量子中继器的中间量子节点将量子纠缠从量子源节点分发到量子目标节点。通过在量子节点之间产生短距离的纠缠连接，逐步实现纠缠分布。纠缠连接表征在节点处准备的纠缠状态，而不是它们之间的物理链路。
接下来，增加纠缠连接的纠缠级别以生成更长距离的纠缠连接。纠缠连接的纠缠级别决定了给定纠缠连接的源节点和目标节点之间的跳跃距离（纠缠连接跨越的量子节点的数量）。增量级别是通过应用在中间量子中继器中的所谓纠缠纯化和交换（纠缠改进和扩展）过程来实现的。
量子态实现。在物理层，量子态可以通过几种不同的技术来实现。表 1描述了这些技术的相关属性以及相关工作。讨论的重点是近期的情况；因此，相关技术实现了量子比特系统。
表 1. 量子态实现技术。
纠缠产生。量子纠缠可以通过几种不同的概率物理过程产生。表 2总结了这些方法的主要属性以及相关工作。
表 2. 纠缠生成方法。
纠缠分布。 表 3总结了不同纠缠分布方案的特征，如图 1 所示。纠缠分布方法使用可以通过光纤或无线光通道实现的量子通道N 。纠缠态（量子相关）的直接传输需要高保真量子通道，而可分离态（经典相关）的直接传输由于量子和经典相关的基本特性，可以通过噪声更大的量子通道来实现。
表 3. 纠缠分布方案。
图 1. 纠缠分布方案。
量子互联网使能技术的主要特性如表4所示。
表 4. 量子互联网使能技术。
量子互联网的未纠缠和纠缠结构
量子通信网络可以分为两大类：未纠缠和纠缠。在未纠缠的量子网络中，量子节点之间的连接是通过未纠缠的量子态形成的。在纠缠的量子网络中，量子节点之间的连接是通过纠缠态形成的。纠缠状态存储在量子节点的内部量子存储器中，因此纠缠连接跨越数个跃点并在长距离上建立。这两种量子网络模型的特点和目标有着根本的不同。
虽然未纠缠量子网络的主要目的是以点对点的方式（或节点之间生成随机数）在节点之间实现标准（非纠缠）QKD 协议，但纠缠量子网络的主要任务量子网络是长距离分布量子纠缠。未纠缠和纠缠量子网络的服务可用于补充传统网络的任务——通过 QKD 确保更强大的加密和安全服务，例如互联网协议安全 (IPSec) 或传输层安全 (TLS)；减少对公钥方法和单向函数的依赖；并降低密码方法、身份验证和隐私服务的计算复杂性。然而，由于基于点对点的量子通信，非纠缠量子网络只能在短距离上为传统网络提供这些补充服务，而纠缠量子网络的结构允许我们构建一个更复杂的网络，称为量子互联网。
在量子互联网场景中，核心网络是一个纠缠的量子网络，主要目的是为量子计算机（合法用户）提供一个通用的网络结构，以建立可靠、安全的远距离量子通信。因此，量子纠缠和量子中继器是量子互联网概念的基础。量子中继器在纠缠分布过程 (EDP) 中充当发送节点 (Alice) 和接收节点 (Bob) 之间的中间量子节点发送器。量子纠缠使通信距离能够通过 EDP 扩展到长跨度（理论上是无限的）。
纠缠量子网络的纠缠连接跨越多个节点——也就是说，这些是多跳连接。纠缠连接是通过 EDP 通过许多物理链路创建的。给定的物理链路，例如光纤或无线光链路，仅在分配过程中临时服务，因为物理链路只能在短距离内产生纠缠。因此，EDP是通过许多物理链路和许多短距离纠缠态逐步实现的。EDP的末端是一种端到端的纠缠状态，它跨越了发送者和接收者之间分发过程中使用的中间节点和物理链路。一般来说，纠缠分布主要是指短链接的纠缠分布过程。中间相遇或发送者-接收者协议。
在未纠缠量子网络中，因为量子节点之间主要需要逐点 QKD，可实现的通信距离受到限制。然而，其他几种用途也是可能的。非纠缠网络也可用于传输量子信息。为了克服传输中短距离的限制，可以将一个量子比特编码成一个量子纠错码，并在短距离之后放置中间解码-编码站。这些站简单地解码接收到的逻辑量子比特，从而获得关于在传输过程中发生的错误的错误综合症。使用错误综合症，该站有望纠正错误并将量子比特再次编码为量子纠错码。注意：QKD 不保证安全的量子通信，但它可用于在两方之间生成安全的经典密钥。QKD 也不提供更强的加密，因为它只是在两方之间生成安全的经典密钥，可用于对称分组密码，例如高级加密标准 (AES)。如果有足够的资源可用，甚至可以使用这样的密钥来执行一次性密匙 (OTP) 加密，鉴于密钥是完全随机的，这是完全安全的。
在纠缠量子网络中，纠缠分发过程消除了点对点量子通信的要求，并将其扩展到多跳量子通信。纠缠的量子网络允许我们使用所有的量子协议，例如 QKD（参见 Ekert 的基于纠缠的 QKD) 和其他类似于非纠缠网络的量子密码原语，但额外利用了改进的网络结构、更高的传输可靠性和速率，以及显着更长的可实现通信距离。由于长距离、端到端的纠缠态可用，纠缠量子网络可用作量子局域网（QLAN）、量子城域网（QMAN）、量子广域网（QWAN）、或全球量子互联网网络。
在纠缠的量子网络结构中，连接量子网络设备的一种方法是使用Bell对形式的二分纠缠。Bell对足以生成任何任意状态，方法是合并它们或在本地准备状态，然后通过网络传送量子比特。但是，以这种方式生成任意状态必须投入大量资源到网络中。纠缠量子网络的另一个变体是所谓的多方量子网络。在这些纠缠网络结构中，网络设备使用多部分纠缠量子态连接，簇态或多方纠缠量子态。与仅使用Bell对的网络相比，采用这种纠缠量子网络方法提供了一个非常重要的优势：如果网络客户端想要共享图状态或其他多方纠缠状态，那么网络设备或客户端必须在最后应用更少的合并操作。如果设备使用嘈杂的设备，这是一个很大的优势，正如现实设置所暗示的那样，因为每个合并操作——例如，受控相位门、受控非门和测量——在这些操作中，设备总是将噪声引入最终状态。因此，量子网络使用多方状态在客户端之间生成多方纠缠状态（这对于秘密共享、分布式传感、
纠缠连接的纠缠级别决定了给定纠缠连接的源节点和目标节点之间的跳跃距离。增量级别是通过应用在中间量子中继器中的所谓纠缠交换（纠缠扩展）过程来实现的。具体来说，实际的纠缠分布是在加倍架构的框架内实现的（参见图 3），其中纠缠级别的每个增量都会使跳跃距离加倍。在纠缠分布过程结束时，远距离源节点和目标节点共享一个长距离纠缠连接。
图 3. 通过倍增架构的纠缠分布。
在这一点上，我们注意到并非所有的量子中继器方案都依赖于增量的概念。特别是，只有早期的具有贝尔对的量子中继器方案才需要对贝尔对进行净化和交换的嵌套。使用散列纠缠纯化的新型中继器方案根本不需要嵌套，因此不需要交换和纯化的嵌套。
除了使用倍增架构之外，第三代量子中继器还可以实现高度纠缠态，并可用于长距离分发量子信息；因此，它们可用于分配纠缠。
表 5总结了实现量子互联网量子霸权的主要方法。量子互联网的主要应用包括分布式计算领域、量子秘密共享、盲量子计算、客户端-服务器量子通信、系统区域网络、分布式密码功能（拜占庭协议、领导者选举、QKD）、传感器领域技术（干涉测量、时钟、参考框架）。
表 5. 实现量子互联网的量子霸权的方法。
一般架构。 图 2描绘了量子互联网的一般架构。该网络模型由一组具有量子和经典设备的合法用户以及具有一组具有不同纠缠级别的纠缠连接的中间量子中继器组成。量子互联网集成了地对地量子中继器之间的光纤和无线光通道，以及用于地对卫星通信的自由空间光通道。量子计算机和量子设备通过N进行通信量子通道与量子互联网的抽象云，而经典设备使用安全的量子协议，如 QKD 来访问量子互联网。经典设备与量子协议之间的通信通道为N个经典通道，而量子协议使用N个量子通道接入量子互联网。
图 2. 量子互联网的纠缠网络结构。
在一般的量子互联网架构中，云的量子节点之间的纠缠层次遵循倍增架构的结构。对于源量子节点A和接收量子节点B ，图 3描绘了通过倍增架构构建的 级纠缠。
量子节点通过l级纠缠连接连接，其中 表示直接连接（黑线），而 是多级连接。对于 （蓝色粗线），连接节点之间的跳跃距离为 ，而对于 （橙色粗线），连接节点之间的跳跃距离为 。量子设备通过 与量子互联网云进行通信量子通道，而经典计算机、服务器和其他经典设备通过安全的量子协议（由量子安全设备描述：QKD、量子密码协议等）访问量子互联网。经典设备与量子安全设备之间的通信通过 个经典通信通道实现，而量子安全设备（量子协议）通过量子通道 接入量子互联网。
量子和经典互联网的互操作性。在短期内，量子互联网将与经典互联网并行运行。量子互联网为经典互联网增加了几个扩展和额外的功能，例如使用量子安全密钥在经典设备之间进行安全通信。在互操作模型中，经典互联网的设备可以访问量子安全协议（如QKD），也可以访问经典互联网。使用量子协议，可以通过量子互联网路径共享量子密钥，该路径可用于经典互联网上的经典、加密、安全通信。在这种方法中，经典设备可以使用带有量子密钥的不同经典协议通过经典互联网进行加密通信，例如 IPSec（通过 IPSec 网关和 IPSec 隧道，图 4提供了经典互联网和量子互联网的经典设备的互操作性模型。量子互联网用于在远程量子安全设备之间共享量子密钥，而经典互联网用于使用量子密钥在经典设备之间进行加密的经典通信。
图 4 经典互联网与量子互联网经典设备的互操作性。
建议
先进的信息传输和操作。在量子互联网环境中，信息传输是通过量子通信链路（量子通道）实现的。虽然经典通信通道允许我们仅传输经典信息，但量子通道扩展了可能性。可用于传递经典信息，起到经典链接的作用；私人经典信息（QKD）；和量子信息（量子叠加或量子纠缠）。
与纠缠分布相关的一个重要问题是纠缠态噪声的处理。考虑到嘈杂的物理链接和环境的其他影响，接收到的量子态是有噪声的。特别是，实际创建的纠缠系统 σ 的保真度与目标保真度F相差甚远。为了处理这种情况，应该对噪声状态进行净化——这个过程称为纠缠净化。网络优化在量子互联网环境中是必不可少的，以减少纯化步骤。
一些方法使用可分离状态来产生纠缠。在这些方案中，纠缠不是直接分布的，而是仅传输可分离状态。然后通过在可分离子系统上应用操作来生成纠缠。这些方案的一个缺点是它们的资源密集型需求，因为它们的实现需要相关的多方量子系统，这在实践中难以生成和使用。
量子中继器协议栈。量子中继器协议栈描述了量子节点之间纠缠分布的网络交互。堆栈的最低层是物理层，它只描述了纯量子级的通信，例如量子纠缠在相邻量子节点之间的物理光通道上的直接传输。下一层，纠缠控制层，定义了物理层纠缠传输过程的控制方法。这两个层定义在网络的所有直接连接的量子节点之间，例如通过光纤或无线光通道连接的相邻量子节点。通信仅在这两个层中是单向的，而在所有更高层中都是双向的。物理层中的纠缠传输过程从 Alice 开始，通过直连（即 级连接）中间节点。纠缠控制层中的交互也是单向的，节点对之间的交互方向相反。
接下来的两层——纠缠净化控制和纠缠交换控制——仅在加倍架构中涉及纠缠交换和纠缠净化的那些量子节点之间定义。因此，这些层的重复次数取决于纠缠结构的级别l。在所有这些重复的层中，交互都是双向的。
Alice和Bob之间的端到端层是纠缠净化控制层，在发送者和接收者之间建立高保真纠缠，以及应用层，实现特定功能。这些层中的交互是双向的。
量子中继器的协议栈如图 5 所示。图 5(a)描绘了一般层结构，而图5(b)说明了图 3 的 级倍增架构的协议交互。
图 5. 量子中继器的协议栈和协议交互。
先进的安全性。虽然经典网络不允许具有合理计算复杂性的法律方提供无条件的安全性，但量子互联网将此属性作为默认服务提供。量子互联网的高级安全级别由 QKD 和分布式密码功能（拜占庭协议、领导者选举、量子秘密共享、盲量子计算和其他量子密码功能）提供。纠缠结构的主要贡献是由一串量子中继器实现的任意长距离上的多跳 QKD。虽然由于非纠缠结构的点对点性质，非纠缠结构不允许全局 QKD，但量子互联网的纠缠结构允许法律方选择此选项。（注意：卫星链接可以在网络的某些特定点使用，目前一些基于卫星的方法使用带有诱饵 QKD 协议的弱相干状态。因此，有可能使用将经过认证的 QKD 链接链接在一起的可信节点架构。）
量子互联网提供的高级安全性的另一个优势是它与经典密码功能的扩展互操作性，例如对称分组密码（参见 AES），或与 IPSec 和 TLS。通过使用量子互联网注入经典密码系统的额外保密性允许法律方减少对经典单向函数和公钥方法的依赖。作为推论，经典密码函数的计算复杂度可以通过传统网络的经典层和量子互联网的量子层之间的协作来降低。
引入的第一个 QKD 协议是基于离散变量 (DV)，例如光子偏振。引入的第一个 DVQKD 协议是所谓的 BB84协议，它使用单光子偏振进行编码。
由于当前物理设备的技术限制，单光子的偏振不能有效地编码和解码，因此提出了连续变量（CV）QKD系统。在 CVQKD 系统中，信息通过使用相干量子态的位置或动量正交的高斯调制以连续变量（即光子包）编码。与DVQKD相比，连续变量的调制和解码不需要专门的设备；它可以使用标准的、当前可用的和广泛使用的电信网络和设备来实现。
表 6总结了最近 QKD 实施的一些细节。
表 6. 最近的光纤和自由空间光学 QKD 实施。
先进的工程可能性。从工程的角度来看，量子互联网需要使用先进的网络和服务管理。量子互联网物理层的主要任务是量子态的可靠传输和接收到的量子系统在量子节点的量子存储器中的内部忠实存储。物理层中的量子传输和量子存储过程需要与更高逻辑层中的网络和服务管理服务协作。逻辑层通过传统的通信通道使用来自量子网络的经典侧信息，为物理层提供反馈和适应机制。逻辑层包含控制和后处理任务，例如纠错、量子链路和量子存储器的动态监控、
量子互联网领域动态地改进和挑战几个开放的问题。由于量子互联网的结构和流程与传统互联网的机制有着根本的不同，它需要发展新颖、先进的服务。这些服务的主要挑战是为传输纠缠系统、优化网络架构和开发连接到纠缠分布的网络服务提供最佳解决方案。量子互联网的组网程序应考虑量子力学的基本原理（如叠加、量子纠缠和不可克隆定理），与传统互联网的组网服务相比，它们需要显着不同的网络和服务管理。
先进的分布式计算。与传统网络相比，量子互联网的结构允许各方实现具有高级安全性和扩展可能性的分布式计算。分布式量子计算领域包括量子效应在客户端-服务器通信、系统-区域网络通信和基础分布式计算（信息共享、多方计算、多方安全、量子秘密共享和盲量子计算）中的应用。
基于测量的量子计算是使用纠缠作为资源的分布式量子计算的核心。量子测量的目的是从被测量的量子系统中提取有价值和可用的信息。虽然测量的输入可以是叠加或纠缠的量子系统，但测量的输出是经典信息，即位串。量子测量可以以不同的方式进行，例如，通过投影测量或正算子值测量 (POVM) 测量。
路由量子纠缠。在具有异构纠缠级别的纠缠量子网络中，找到任意量子节点之间的纠缠级别的最短路径对于以尽可能少的步骤在节点之间传输消息至关重要。由于没有可用的全局知识，在实际场景中，关于纠缠连接的节点或属性，必须以分散的方式执行路由。分散式路由只能使用关于节点、它们的邻居以及它们共享的纠缠级别的本地知识。量子互联网的机会纠缠分布已被定义为一种不同的方法。机会主义模型定义了分布集，旨在选择成本函数为其选取局部最小值的那些量子节点。成本函数使用局部量子存储器的错误模式和纠缠保真度演化的可预测性。该方法针对节点对的局部量子存储器的实际状态提供了有效的纠缠分布。该模型为实验性量子互联网场景中的高保真纠缠分布提供了一种易于应用、适度复杂的解决方案。
分散路由方法是路由二分纠缠的一种有前途的方法。然而，作为多方网络的图状态、集群状态和 GHZ 状态的多方路由策略将使用这些状态。
实施依据
量子互联网的实际实现集成了实际量子网络通信所需的标准光子器件、量子存储器、光腔和基本物理器件。量子节点之间的量子传输和辅助经典通信可以通过标准链路（例如，光纤、无线信道、卫星通信）和使用量子网络的基本量子协议来实现。
实验量子互联网目前处于开发阶段，存在于物理实验室和理论方法中。与建设量子互联网相关的工程问题需要讨论并找到解决方案。
表 7总结了最近实现实验性量子互联网的量子霸权的重要实用方法。
表 7. 最近对量子互联网的量子霸权的实验方法。
结论与展望
量子互联网提供了先进量子通信技术和协议的大规模应用。量子互联网的结构保证了用户数据对于未来网络的安全。然而，商用量子计算机目前不向公众开放（用户只能通过云进行有限访问服务）; 安全问题代表着明天的问题，而为量子互联网设计高性能和精心设计的服务和协议代表着手头的任务。随着量子计算机的出现，必须实现从传统互联网到量子互联网的无缝过渡。未来的研究应该为量子互联网定义更多的服务和协议。需要解决的一个重要问题是如何组织和设计量子互联网标准。与传统网络一样，量子互联网协议的标准化有助于为构建全球量子网络定义一个统一的平台。标准化还将作为一个不断发展的框架，可以反映量子互联网动态变化的需求。
解决这些重要问题的一种有希望的方法是成立量子互联网研究小组 (QIRG)，该小组已经获得了国际支持和研究人员合作。QIRG 还为开发实验性量子互联网定义了具有能力里程碑的技术路线图。该提案的目的是寻找量子互联网未来工程问题的解决方案，例如定义标准化的架构框架（互操作性、连接建立、节点角色、网络编码、多方状态传输）、设计应用程序编程接口（API） ，并定义了量子互联网的应用层面。
在不久的将来，经典互联网和量子互联网将共存、并行。量子互联网也将使用经典互联网作为辅助网络结构，因为在某些方面，量子设备需要经典侧信息和使用经典公共渠道才能发挥作用。短期内其他重要的开放性问题围绕识别量子网络中的网络边界，连接具有不同实现基础的量子网络，以及构建通用通信语言和平台以支持量子互联网的量子设备。主要工程问题包括为量子互联网的异构网络结构开发新的路由服务和连接建立服务的定义，
原文链接：https://cacm.acm.org/magazines/2022/8/262904-advances-in-the-quantum-internet/fulltext
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