摘要

纠缠量子通信正在迅速发展，实验室和国家测试平台正在开发中，但到目前为止还没有统一的量子互联网体系结构。我们提出了一个以量子递归网络架构（QRNA）为中心的量子互联网架构，使用基于规则集的连接，使用双通道连接设置建立。通过在命名和连接控制中使用递归来实现可扩展性和互连(对于技术和管理边界)。短期内，该架构将支持最小硬件上的端到端、两方纠缠，未来将顺利扩展到多方纠缠和在先进硬件上使用量子纠错。对于网络内部网关协议，我们推荐(但不要求)qDijkstra，每个 Bell 对的秒数作为路由的链路成本；外部网关协议被设计为递归构建。通过评估可扩展性和演示如何使用规则集范式确认协议操作的稳健性，展示该架构的优势。

1.引言

即将到来的量子互联网将提供新的加密服务，提高传感器网络的灵敏度，并连接远程量子计算机来增强安全计算，共享量子数据，并增加可攻击问题的规模。硬件组件正在快速发展。许多体系结构和协议因素也被研究过，但还没有整合成一个连贯的架构。然而，我们几十年的经典互联网经验清楚地表明，架构和硬件必须同步发展，而这两种架构的成熟度要慢得多。因此，当务之急是开始为体系结构奠定基础，推动硬件的开发，并在我们前进的过程中从提议的应用程序中学习。

重要的是要认识到将会有一个互联网络，网络中的网络。毫无疑问，网络架构将不止一种；但要建立一个真正的量子互联网，最终只能有一个统一的网络架构。

1.1.量子通信是不同的

我们可以将量子通信概括为：非定域性是目标，隐形传态是心脏，退相干是现实，光速仍然是约束。

量子纠缠源于量子非定域性，在这种现象中，遵循量子力学的遥远系统共享一个状态，使它们能够展示相关性，就像它们在进行直接的、看似瞬时的通信一样。纠缠态可以是二部态也可以是多部态。

隐形传态是目前量子网络的核心，因为它是传输以物理量子态编码的量子信息的主要方法。在量子隐形传态中，量子变量的状态在一个地方被破坏，在另一个地方被重建。从网络节点A到节点B的隐形传输消耗了一个跨越A和B的特殊纠缠态，称为贝尔对；因此，量子网络的任务是不断产生足够的端到端纠缠来满足应用需求。此外，一种被称为纠缠交换的隐形传态形式被用于将链路级纠缠扩展为端到端纠缠。其他类型的量子网络，例如，涉及叠加但不涉及隐形传态，似乎仅限于单跳配置，因此这里不再进一步考虑。

不幸的是，量子数据极其脆弱。光子会丢失，所以一般来说，我们必须使用公认的链路层(尽管有例外)，这将极大地影响吞吐量。由噪声、记忆控制不完善等引起的量子态误差统称为退相干。退相干的一个衡量标准是保真度，保真度是对实际达到的量子态和期望的量子态之间的接近度的估计。

最后，尽管纠缠显示非局域相关，但它不能用于比光速更快的通信。本质上，所有的量子通信都需要支持经典通信，而经典通信自然仅限于$c$ 。纠缠量子位的测量结果是(反)相关的，乍一看似乎违反了狭义相对论。然而，测量坍缩是随机的，无法控制，这使得超光速通信成为不可能。

所有的量子通信都依赖于一个经典的通信基础设施来实现控制和协调。这个经典的基础设施是一个独特的通信系统，它在应用层运行，类似于一些路由协议作为应用程序运行以管理路由器转发表。这个经典网络不需要与它所管理的量子网络共享路径或拓扑，但必须互连每个可控的量子网络组件，无论是量子(例如，隐形传态中继器)还是经典(例如，光开关)。

要阅读这篇文章，读者只需要了解上面的概念，以及我们正在研究量子比特的大致想法，量子二进制数字可以相互纠缠，并遵循一些简单的规则。量子位可以被编码成光子(使用各种编码方法)或存储在固定存储器中(可在许多不同的物理系统中实现)。

1.2量子通信是可取的

如果没有令人信服的理由将量子通信集成到我们现有的信息技术生态系统中，以提供新的或更好的服务，那么刚才描述的这些不同寻常的特性就只不过是一种好奇(或一个物理实验)。我们可以将应用程序划分为三个重叠的主要领域：加密服务、传感器网络和分布式量子计算。

最著名的量子密码服务是量子密钥分发(QKD)，在这种服务中，当创建一个共享的随机比特流时，量子特征被用来评估窃听者存在的概率。这些随机的、共享的、被认为是逐位加密的可以用于密钥加密协议。然而，这并不是唯一可能的加密服务;秘密共享、安全选举协议和拜占庭协议都是已知的。

第二类传感器包含了一系列的用途。可以说，QKD本身是一个传感器应用程序，因为它从物理上检测窃听者的存在或不存在。其他用途包括望远镜的增强型干涉测量和更高精度的时钟同步，两者都可以被视为使用纠缠作为时间和空间的参考系形式。挑战包括确定量子元素经典控制所需的精度是否超过实际使用纠缠所获得的收益，以及所需的极高的数据率(纠缠生成速率)。

最后一个领域是分布式量子计算，单个的量子处理器连接在一起，通过通信和共享它们的资源，以协调的方式执行量子信息处理任务。委托量子计算范式的扩展导致了盲量子计算等应用，在这种应用中，客户端能够将其计算委托给量子服务器，而无需透露其输入、计算本身或输出的信息。

1.3量子中继器

量子中继器与经典信号中继器有很大的不同；量子态不能被放大或简单地再生，一般来说，量子态也不能被忠实地复制。相反，网络的工作是执行分布式计算，构建应用程序使用的端到端纠缠。中继器和路由器在端到端（E2E）问题中充当路径点，并执行四项主要任务：

1.创建基础纠缠：通常使用单个光子（尽管此规则有例外），相邻的中继器会纠缠固定内存量子比特。 这个过程最常见的结果是贝尔对。 许多不同的链接架构可以用来完成这个任务。

2.纠缠扩展：通过图 1（a）所示的纠缠交换实现，两个纠缠的贝尔对$A\leftrightarrow B$ 和$B\leftrightarrow C$ 可以拼接形成单个$A\leftrightarrow C$ 贝尔对。 需要经典的沟通。

3.错误管理：光子丢失是使用确认的链路层处理的，但也必须解决状态错误和操作（门）错误； 纯化是一种错误检测形式，如图 1(b) 所示。 有足够的资源和足够高的基本保真度，就可以使用量子纠错。

4.网络运行：节点必须监控自己的链路，并参与网络和互联网络中的路由、多路复用、网络操作安全等。 我们对这个术语的使用包括可能被认为是量子网络的控制和管理平面，两者都在经典网络上运行，该网络在经典应用层互连量子设备。这是本文研究的重点。

图 1：量子中继器构建端到端分布式纠缠，供终端节点上的应用程序使用。 在 (a) 所示的基本形式中，该过程是分布式计算，依赖于纠缠交换 (ES) 以延长纠缠以跨越多个跃点和一种错误检测形式，如 (b) 所示，称为纯化，其中多个通过消耗一些对的测试协议，可以将低质量的贝尔对筛选为单个更高质量的对。

图 2：当今的量子中继器代表了硬件的绝对最小形式：单个收发器量子比特（$e^{-}$ ）、单个缓冲存储器量子比特（原子符号 $\ast$ ）、前面的双端口光开关，以及初始化、存储、操作和测量量子比特。 该中继器只能尝试在给定循环中向左或向右建立纠缠； 例如，在向左纠缠成功后（步骤 1），然后将收发量子比特的状态转移到缓冲区量子比特（步骤 2），并尝试向右纠缠（步骤 3）。 一旦实现了向右的纠缠，纠缠交换通过两个量子位的贝尔状态测量（联合测量）执行（步骤 4）。 随后是与相邻的量子位进行经典通信（步骤 5，未显示）。

最常讨论的架构使用净化和纠缠交换；除非另有说明，在本文中我们讨论的是第一代网络，即1G网络。纯化需要对量子比特测量结果进行双边确认；在偶数奇偶校验上，纠缠态被保留并继续，而在奇数奇偶校验上，该状态必须被丢弃。 纠缠交换将纠缠从一个节点转移到另一个节点，这需要与两个节点进行通信，其中一个节点可能需要使用称为泡利帧校正的信息来调整其状态。 以稳健但最大程度异步的方式协调这些操作是网络协议的主要任务之一。

1.4架构决策要点

在开发量子互联网架构时，我们的目标与经典互联网的目标相似：我们想要一个运行稳健的系统； 易于实施； 并满足可扩展性、安全性、可管理性和自主性等要求。 良好的接口定义将允许子系统和硬件实现独立发展，并且系统将随着（人类）世代的时间跨度继续互操作。 因为我们正在设计一个互联网络，所以我们的目标是在异构子路径上创建一个同质服务，然而，这必须与早期硬件代在能力上存在显著差异的事实相平衡。

必须做出一些关键的设计决策：

1.基本服务的性质。 是贝尔对、测量出的经典比特、量子比特隐形传态还是多方图状态？ （第 2 节）

2.连接的性质。 网络是利用纠缠交换和纯化的 1G吗？ 还是使用量子纠错 (QEC) 建立连接的 2G/3G？ 或者，连接可以是全光子的，没有量子存储器不需要量子存储器。（第 2.1 节）

3.应用程序接口。应用程序如何访问网络提供的服务？ 什么是用于量子通信的套接字？ （第 2.2 节）

4.传达请求。 必须设计实现上述服务的协议，包括量子资源的命名约定。 （第 3 节）

5.有状态的连接。 连接将需要沿路径的每个中继器处的量子态和经典态，至少只要该组件积极参与为端点构建量子态。 什么样的握手/信令机制用于建立连接？ 这是集中式的还是分布式的？ （第 3.5、4.3 和 5 节）

6.节点类型。 技术状态决定了我们可以构建的节点类型； 以上各项决定了构建量子网络所需的节点类型。（第 4.1 节）

7.路由。 我们如何选择通过网络的路径或路由？ （第 4.2 节）

8.资源的多路复用规则。 多路复用量子资源使用的选项可能包括电路交换、时分复用、统计复用或缓冲区空间复用。 自然，有状态连接和许多复用候选者需要身份验证、授权和计费。 （第 4.3、4.4 节）

9.安全。 量子网络允许许多必须考虑的新攻击者。 这些攻击有时与量子网络提供的服务的定义属性相吻合，例如在 QKD 中； 在其他情况下，例如分布式计算，它们代表着需要克服的挑战。 （第 4.5 节）

10.创建互联网络。这些网络应该如何结合起来创建一个互联网络，它们交互的本质是什么？ （第 5 节）

图3:一个硬件架构类似于今天商业互联网路由器的完整量子路由器将有qnic(线路卡)，通过由光接口、光开关和贝尔状态分析仪测量设备组成的背板耦合。使用bsa，线卡顶部的背板缓冲区中的量子位被纠缠，而较低部分的收发器量子位则试图与相邻节点产生纠缠。一旦背板纠缠态和相邻纠缠态都形成，在每个线卡内使用纠缠交换来拼接远距离纠缠态。在硬件复杂性(和成本)方面，在图2和图2的最小配置之间存在许多步骤。

上述清单并非详尽无遗，但涵盖了关键问题。

在接下来的几节中提出这些问题的答案后，我们在结论（第 7 节）之前提供了一些证据来证明我们的选择（第 6 节）的正确性。

2.量子网络服务

2.1语义：贝尔对和在线分布式计算

纠缠是推动量子应用（例如 QKD、隐形传态、量子传感或委托量子计算）的资源。 持续、可靠和高效地补充这种资源是量子网络的主要任务之一。 然而，纠缠态有多种形状和大小。

贝尔对是最基本的二部态，是纠缠量子网络的基本组成部分。它们可以通过网络链路产生，网络链路两端配有固定的量子存储器，通过飞行的光子纠缠在一起。由于贝尔对对几乎所有量子通信协议的重要性，人们普遍认为它们将成为基础网络服务的一部分。

端到端多方状态，如 GHZ、W 和图状态是各种多方协议的资源，因此可能非常有价值。 单独的贝尔对就足够了； 可以使用它们构建多方状态，但由于效率很重要，多方状态是基础服务的一部分还是应该完全由运行在终端节点上的应用程序创建和管理，这是一个悬而未决的问题。

因此，我们在本文中关注Bell对的分布。这种分布可以通过多种方式实现，并根据连接网络的性质将其分为三代。1G量子网络使用物理贝尔对构建端到端纠缠对，使用纠缠交换和净化进行拼接和误差测试。这样的连接是建立端到端纠缠的最基本的方式，因此量子网络的第一个实现预计将是 1G。2G和3G网络的设计目的是通过利用量子纠错达到和保持更高的保真度(对分布式计算尤其有用)，这对硬件提出了很高的要求。这些错误管理方案需要在每个中继器上进行工作，但目标是 E2E 错误管理。

上述几代量子网络都依赖于量子存储器来存储量子比特，而网络则使用飞行光子将它们纠缠在一起。 值得一提的是，已经提出了不需要量子存储器的全光子量子中继器。

在第1.3节中，我们注意到Bell对的这种分布实际上是整个路径上的分布式计算的一种有限形式。必须在定义网络服务的语义时考虑到这一点。

最后，需要注意的是，时间是服务的一部分。特别是对于传感器应用，一些事件的高精度时间戳是必要的信息，并且必须提供给应用程序。

2.2应用访问:量子套接字

一旦纠缠的量子比特准备就绪，应用程序就会使用它们。 如前所述，目前设想的应用程序分为三种类型。 可以将这三种类型分为两种类型：一种是在更大的量子应用中使用量子位，另一种是测量量子位以立即产生经典信息。 直接消耗量子比特的应用程序会在应用程序执行后立即测量结果； 因此，最终，这两种情况都有一个经典的结果。

我们正在设计量子套接字应用程序接口（API），它与经典互联网中广泛使用的经典套接字API类似。该API与经典的套接字API非常相似。与经典的套接字API一样，该API具有如下功能：创建套接字、连接到套接字端点、读取、写入、设置选项和销毁套接字。API是节点类型不可知的；即，它可以处理对应于三个不同应用程序类的三种端节点类型(MEAS, COMP, SNSR，如第4.1节所述)。

前面描述的对返回经典信息(MEAS、SNSR)类型的节点的操作是同步的，因为结果最终将变成经典读取(读取系统调用等)。对于这些应用，完全贝尔对的随机到达时间不是问题。相比之下，COMP节点需要与量子计算机中的其他工作进行大量协调。如何构建分布式量子程序健壮地处理随机纠缠传递，例如通过异步回调，是一个开放的问题

应用程序或控制程序都可以通过类 ioctl 接口为每个物理接口配置特定参数，例如特定于 QNIC 的 RuleSet。 换句话说，经典组件通过套接字 API 与物理量子组件进行通信。

3.表达连接语义：规则集

刚刚建立的量子互联网的核心服务是构建端到端纠缠，现在我们需要一个能够跨不同连接架构(1G, 2G)通信必要动作的网络协议。在这里，我们描述了一种足够高效的机制，可以用作网络协议的基础，并且足够丰富和抽象，可以用作网络间协议(第5节)。

1G网络需要一种机制来传递这样的请求：“Bob，一旦你得到Alice的一个Bell对和Charlie的一个Bell对，就执行纠缠交换，然后把Pauli 帧校正发送给Charlie，把纠缠转移通知发送给Alice。”“如果你有Alice的两个Bell对，保真度都低于0.9，那么就提纯。”2G 网络将处理使用量子纠错编码的逻辑量子比特，在为应用程序提供高保真逻辑量子比特的同时，进行纠缠交换和纠错的复杂操作。

我们的方法是定义具有条件子句和操作子句的规则，非常类似于经典软件定义网络(SDN)的OpenFlow扩展。对于一个连接，每个节点都有一个规则集，该规则集应该全面地定义当本地事件发生(纠缠成功、超时等)和消息到达时应该做什么。这个基于 RuleSet 的操作是我们工作的核心，它允许我们明确地推理如何在网络中实现最大的异步性和自主性(而不是在每个操作中等待显式的指令或试图使所有事情同步进行)。我们的规则集版本包含了本地状态，这在SDN OpenFlow中无法表示。

每个连接都有一个规则集。 一旦将资源（例如，链路级 Bell 对）分配给规则集，该分配就不会改变。 如何完成分配是复用方案的责任（第 4.3 节）。

当前分配给特定连接的节点上的规则集和任何量子位都是必须在每个中继器/路由器上保存的连接状态。这需要评估其可扩展性，它会影响AAA(第4.5节)，但目前我们还没有看到允许中间路径路由器和中继器完全无状态的量子网络方法。

我们改编了[57, 58]中的规则集方法，并加入了一个称为Stage的附加构造。规则集可以被认为是一个监督状态处理的程序。纠缠态被分配到一个给定的Stage。在每个Stage中，可以有多个规则。每个Stage也可以有自己的变量，这些变量由同一Stage中的规则共享。在 Stage 中的一个规则触发后，纠缠状态要么提升到下一个 Stage，要么被宣布失效，并且物理资源返回到池中以供重用。 这确保了量子比特的流动是单向的，并且以被传递到应用程序或服务或被丢弃（作为协议操作的一部分被消耗或被确定可能出错）而终止。

3.1命名状态(量子比特)

管理量子比特和就共享节点之间纠缠状态的消耗达成一致是规则集的两个最关键的任务。 在 IP 架构中，网络地址与网络接口相关联； 在这里，我们假设相同。 因此，物理量子位可以通过其网络地址和 QNIC 中的量子位索引来唯一标识，使用字符串<QNICAddress,QubitIndex>。 QNIC 固件基于该索引应用量子操作，并且元组在网络地址范围内是唯一的。

然而，我们通常感兴趣的不是这个物理地址，而是量子比特中持有的状态(例如Bell对的一半)，它是动态的，具有有限的生命周期；这种区别在哲学上类似于寄存器与临时变量。因此，当共享纠缠资源的节点希望将更改通信给其他方时，它们使用只有共享方知道的另一个(外部)名称。这个名称必须是唯一的。最初，名称由参与创建链路级Bell对的节点中的一个确定(例如，下一节中描述的BSA节点)。例如，名称可能是字符串<NodeAddress,Timestamp>，其中时间戳具有足够高的精度，最多可以创建一个 Bell 对。 该外部名称到内部量子位地址的映射由每个节点独立且私密地维护。

当纠缠交换完成时，贝尔对的新名称由执行交换的节点创建。 作为将纠缠转移给新伙伴的通知的一部分，该名称被传达给两个端点。

3.2消息

表1列出了协议中包含的主要消息。(每条消息传输都是由Action子句发起的，它的接收与Condition子句匹配；出于篇幅考虑，这些不包括在表 2 和 3 中。)纯化涉及测试两端的两个量子比特的奇偶性，并使用测量结果 (MEAS) 消息交换结果。 每一端将其计算的奇偶校验与其接收的奇偶校验进行比较，要么丢弃两个贝尔对（在不匹配时），要么提高软件对其中一个的估计保真度并丢弃另一个（在匹配时）。 纠缠交换要求将纠缠转移给新伙伴通知两端，并且一端还必须收到泡利帧更新。

表1:协议消息

表2: 条件子句

表3：动作子句

3.3 Condition子句

表2显示了可以在规则中定义的Condition子句。可以将Condition子句视为定义状态机中从一个状态移动到另一个状态的触发器，而规则的Condition子句则定义副作用。

有时，一个Condition子句只需要匹配一个纠缠状态，例如当匹配一个Bell对并决定将其交付给一个应用程序时(在这种情况下，它超出了我们的理解范围)。更多的情况下，它需要匹配两个：要么具有相同的端点，用于纯化，要么具有不同的端点，用于纠缠交换。

图4:单个量子网络中的双通道连接设置(CS)。规则集由响应器创建，提供分布式创新点。

3.4Action子句

表3显示了可以在规则中定义的Action子句。Action子句可以被认为是定义了要发送的局部量子操作和消息的序列。Action是从一组受限的选项中选择的，不包括循环原语；尽管QCIRC应用了量子电路，但这并不是一个图灵完备的计算平台。条件执行是通过创建具有不同Action子句的独立规则来完成的。这些限制使得在终止、稳健性、死锁、安全性和其他问题方面更容易推理分布式协议操作。

如前所述，消息生成不包括在这个表中，而是QCIRC、MEAS和一些本地软件操作的自然结果。

3.5双通道连接设置

根据Van Meter和Matsuo所提出的，我们的连接设置方法使用两个通道。在出站端（从发起方开始），收集有关链接和可用资源的信息。 连接请求最终到达响应者，响应者获取该信息并为路径上的每个节点构建规则集。 这些规则集在返回通道中分发，然后开始连接操作。

单个网络中的设置如图 4 所示。正如在经典的互联网中一样，我们预计大多数连接将由连接到服务器的客户机节点发起。这种体系结构让服务器负责规则集的创建，允许服务提供者进行单点创新；如果他们创建了比竞争对手更好的规则集，那么连接将更快或更稳健，从而提供竞争优势。

4.联网

上一节讨论了各个连接；这一节，我们将展示如何在具有复杂流量模式和兴趣并不总是完全一致的参与者的复杂拓扑中运行。

4.1量子网络组成

量子网络与经典网络不同，因为它们不能孤立存在；量子网络结合并依赖于经典网络来相互连接其组件以实现经典控制。因此，尽管有这个名字，但量子网络实际上是量子网络和经典网络的混合体。

正如今天的经典互联网由以太网交换机、不同功能的 IP 路由器、家庭路由器、WLAN 接入点和各种类型的终端组成一样，构成量子互联网的节点也将有多种形式。下面的所有节点类型都可以在许多技术中实现(NV金刚石、离子阱、超导、量子点)，使用各种光学量子比特表示(偏振、时间仓、空间路径、能量/波长等)。我们将这些节点分为三类：终端节点、中继器节点和支持节点。

终端节点表示希望执行量子应用程序(如量子密钥分发、秘密共享和盲量子计算)的主机。终端节点所需的技术成熟度很大程度上取决于所需的应用程序。终端节点主要有三种：

MEAS 一个只能测量接收到的光子(至少以两种不同的方式)而不存储量子位的节点实际上是非常有用的。一对这样的节点可以进行量子密钥分发，或者这种类型的单个节点可以作为连接到完整 COMP 节点的终端，以执行一种形式的安全盲量子计算。 但是，它的错误管理能力非常有限。

COMP 能够测量量子态并将其存储在量子存储器中的计算端节点。这极大地增强了节点的功能，并导致了诸如盲量子计算等高级应用。该节点的处理能力可能有所不同。简单的客户端可能只能生成、存储和操作单量子位状态，而先进的量子服务器可能能够创建大型的多量子位纠缠状态，从而能够实现普遍的容错量子计算。

SNSR 传感器节点在信息物理操作中使用纠缠态，例如作为干涉测量或时钟同步的参考框架。 特别是对于这些节点，请记住时间是服务的一部分。

量子中继器负责量子网络中纠缠的分布和管理。我们有三种中继节点：

REP1 1G中继器。总是有两个接口；最近的一项实验(图2和[68])一次只允许一个活动，但广义形式允许两者同时活动。 它的主要任务是在物理量子比特上以纯化的形式执行纠缠交换和错误管理。

REP2 2G中继器。具有与REP1相同的纠缠交换的主要任务，但在由多个物理量子位组成的编码逻辑量子位的级别上运行。错误管理是通过错误纠正来实现的，通过REP2图标中的复选标记来表示。REP2必须配备能够处理大量物理量子位的硬件，这就需要更高级的计算能力。

RTR 路由器。 如图 3 所示，路由器可能由多个线卡和一个背板组成，但出于网络架构的目的，重要的事实是路由器运行一整套管理网络操作的协议。 通常，RTR 将具有三个或更多网络接口，并且能够管理网络边界，在那里它可能被要求使用 1G 和 2G 协议并重写规则集，充当连接请求（出站或传输）的响应者 ）。

最后，支持节点的任务是协助端节点和中继节点进行纠缠分布。支持节点有五种：

EPPS 纠缠光子对源，通过对称参数下变频(SPDC)实现。EPPS只产生纠缠光子对，必须在连接端点捕获或测量光子对。EPPS可用于地面链路或卫星上，由地面望远镜捕获光子。

BSA 贝尔状态分析仪，它将两个光子投射到其中一个贝尔态；通常用于将内存-光子和光子-内存纠缠交换为内存-内存纠缠。线性光学实现的理论效率极限是50%。BSA 的硬件复杂性取决于特定的量子比特编码。

RGSS 中继器图状态源产生用于无记忆中继器网络的纠缠多部光子态。它将生成的中继器图状态的一半发送到测量光子的相邻节点。

ABSA 先进的贝尔态分析仪。基本的BSA总是执行相同的操作，但基于中继器图状态的全光中继器需要双光子和单光子测量。测量基础(测量类型)是根据先前的测量结果以及底层中继器图状态的逻辑编码和结构动态选择的。这使得硬件、软件和协议实现比BSA复杂得多。

OSW 光开关（纳米机械或其他）可以合并到上述节点类型中，但它们也可以独立于网络中，在链路之间切换光子而不测量它们。

这个列表绝非详尽无遗，但涵盖了量子网络的主要组成部分。终端、中继器和支持节点的划分并不相互排斥，因为在功能上可能有一些重叠。例如，ABSA也可以看作是一种中继器节点，因为它实现了纠缠交换的任务。ABSA需要复杂的规则集，并且在连接规划过程中可见；另一方面，更简单的 BSA 只负责通知两个节点关于纠缠创建成功，并且不需要对路径中更远的节点可见。

4.2路由

路由是确定一组给定端节点之间通信路径的过程。 在量子网络中，使用了两种不同的路由：一个由量子节点组成，另一个是在每个量子设备的控制机制之间的一组单独的经典路由。

可以使用 qDijkstra（量子 Dijkstra 算法）来选择路线。 在这种情况下，链接成本被定义为“某个索引保真度 F 的每贝尔对的秒数”。 保真度在实践中不是一个容易获得的指标，需要持续监控链路。 一种昂贵但准确的测量方法是通过链路的断层扫描； 表征量子态的低成本方法是一个活跃的研究领域。 通过在链路度量中包含保真度，路由计算会自动考虑具有高数据速率但保真度差的链路与具有低数据速率和高保真度的链路之间的权衡。 这种方法在计算的路径成本和通过模拟具有异构链路的各种路径获得的吞吐量之间取得了很好的一致性。

我们正在研究的一个重大开放性问题是如何将路径与多路复用和资源预留结合起来，这是我们接下来要讨论的。

4.3复用与资源预留

电路交换、时分复用、统计复用（如互联网尽力而为转发）和缓冲区空间复用都是可能的方法。在缓冲区空间多路复用中，每个路由器或中继器节点上的每个量子比特都被分配给通过该节点的特定连接之一，类似于网络切片。 Aparicio 研究了这些方法的总吞吐量和公平性，发现统计多路复用工作得很好。 Statmux 允许网络的不同区域同时高效地工作，同时共享瓶颈链路，在总吞吐量方面超过电路交换。然而，这些模拟是针对小规模网络的。我们认为需要更详细地研究这个主题，以评估面对复杂、多变的流量模式时的稳健性。特别是，我们担心类似拥塞崩溃的情况是可能的，或者短距离连接可能会使长距离连接饥饿。

多路复用必须与路由和 AAA 协调，如下所示。 当然，如果可能，我们希望避免完全阻塞的多路复用协议。 任何导致资源占用时间延长的多路复用方案都需要我们确定如何分配这些资源，并且这样的政策将涉及身份，并且可能涉及某种形式的付款或至少扣除某些系统信用。

4.4认证、授权与计费

如前所述，性能远低于需求似乎将迫使早期实现采用固定的资源分配给各个连接。 反过来，这意味着身份验证、授权和计费(AAA) 将成为架构的重要元素。

经济学可能会定义谁可以访问早期网络，除非建立一个明确关注公平性的 AAA 架构或其他一些指标，而不是直接竞标访问。

图5:QRNA使用完全递归的体系结构，可以将网络虚拟化为节点。请注意，QRNA可以向下工作到链接层，或者网络可以内部不同，只要它们参与网络边界。

4.5安全

量子力学承诺了通信方之间前所未有的保密水平，这就是为什么量子密钥分发吸引了理论物理学和计算机科学界的注意。然而，对QKD的关注也描绘了一幅扭曲和不完整的量子网络整体安全图景。这种情况最近正在慢慢改变，人们已经认识到，虽然理论上量子力学提供了检测网络中恶意玩家的新方法，但它也使新的攻击载体成为可能。

上面讨论的所有协议都需要身份验证和防篡改； 隐私是否也需要或有用是一个悬而未决的问题。 鉴于以前的互联网（以及在较小程度上，电话网络）在路由、计费等方面缺乏安全性的经验，以及量子连接可能的高成本，因此必须在早期建立一个稳固的框架。 量子互联网，最好是在真正可操作的网络实施之前。 这与上述多路复用和 AAA 决策有关。

5.互连和可扩展性:递归

对当今互联网的一种理想化的看法是，它是一个两层的系统。外部网关协议(如BGP)用于网络之间的路由，内部网关协议(如OSPF、IS-IS)负责网络内部的路由。然而，现实并非如此美好。隧道、交换以太网需要在底层使用生成树协议，尽管它们名义上是“链路层”，而最近对网络和服务虚拟化的强调已经将Internet塑造成一个多层系统，在每个级别都有特殊的交互。如果有机会从头开始创建系统，并了解互联网的演进路径，我们可能会以统一的方式设计互联网，自然会考虑跨多个层的交互。

Touch等人提出了一种统一方法，称为递归递归网络体系结构。RNA为量子互联网的设计提供了一个诱人的蓝图，Van Meter等人将其命名为量子递归网络体系结构(QRNA)。这种方法旨在提供全球比例的可扩展性，包括连接物理和逻辑上的异构网络，并提供自治、安全和隐私。

递归自然会影响命名和路由。 递归描述名称的层次结构； 名称之间的关系可以描述为一个有向无环图。 这种方法提供了命名和路由的可扩展性，并增强了自主性、安全性和隐私性。

传统上，连接可能有两种类型；边界到边界用于传输，边界到终端节点用于终止。在QRNA中，这两种连接被视为同一事物，但处于不同的网络层次。图5中，主机节点$E_1$ 希望与k层的另一个主机节点$E_2$ 建立端到端连接，从$k$ 层来看，通过路由器$R_1$ 和$R_2$ 引导，到达$E_2$ 的路径很简单。当连接请求到达第一个路由器时，它被嵌入并通过边界路由器传递到$k-1$ 层。然后边界路由器负责请求跨层$k-1$ 到适当的边界路由器的端到端连接，然后将原始连接请求向上传递到$k$ 层。 该架构的递归特性允许将连接请求嵌入到所需的多个级别中。

5.1连接设置：双通道重写

递归必须与第3.5节中描述的两次连接设置一起工作。我们通过在交叉递归层(例如在网络边界)的地方重写RuleSet来实现这一点。如图6所示(与图4相比)，边界路由器为了保持网络的自主性和私密性，提高可扩展性，将现有的一组链路信息重写为一个单跳，就像BGP路由中的一个单跳隐藏网络内部拓扑信息一样。边界路由器充当原始启动器的响应器，它对从启动器到它所在位置的路径的性能的估计用于推导它在更高递归层描述虚链路时报告的性能特征。

图6:互连网络中的两路连接设置。箭头表示初始连接请求是如何在层之间和网络之间向上/向下传递的。每个层都有自己的启动器(I)和响应器(R)，由于连接请求的递归封装，层$k-1$ 有两个I-R对。

在量子互联网中(至少在前两代)，连接是一种分布式计算的形式，路径上的所有节点都参与纯化和纠缠交换。连接必须沿着路径提前建立，并且是有状态的。

在连接建立过程中，在每一层，节点都被赋予一个响应者(目的)地址，并可以根据本地选择策略确定下一跳。为了推进建立过程，节点向邻居发送请求(如果我们已经达到物理链路级别)或递归。在k层，我们递归到$k-1$ 层，将我们的地址$k$ 和$k$ 层下一跳转换为$k-1$ 层地址，然后传递到$k-1$ 层，后者作为新的响应器地址。每个网络在连接请求到达相应的$k-1$ 层响应者(图6中的3.99和4.1)时构造临时规则集。这些规则集沿着网络路径向后分布(图6中没有显示)。在服务器接受连接请求后，将沿同一路径向后发送回复以确认规则集。

在管理边界处执行递归有几个好处：a)它限制了每个节点必须掌握的关于整个互连网络的信息量，增强了端到端加密的可扩展性和网络自主权；b)它允许响应者进行创新(在规则集体系结构的范围内)；C)它使我们能够有效地推理连接；d)随着新技术的部署，它是1G-2G互操作的便利点；e)它促进了与不同网络架构的互操作。

5.2路由、多路复用和AAA

如前所述，使用两级或三级系统解决了 Internet 规模系统中选择路径的核心路由问题，Internet 的顶层是全局 BGP。 然而，高层仍然存在政策、经济，尤其是安全问题。 在 QRNA 中，这种方法使用全递归进行了推广和扩展； 每一层都需要一个路由协议。

在最底层，我们遵循 qDijkstra 链路成本指标，即在特定保真度下每贝尔对的秒数。利用QRNA的递归，在上一层，网络内路径将以链接的形式出现。这个链接将有一个可报告的贝尔对创建速率的性能指标。然而，由于网络内的规则集可以用不同数量的纯化进行调优，因此可以用这个速率来换取更高的保真度。先前的研究表明，在更接近链路级别的地方执行更多的净化会导致更高的端到端吞吐量，因此我们期望设置的策略能够使每个网络呈现出较慢但质量较高的链路。

图7:我们的开源模拟器QuISP主要关注协议和扩展问题，以便进一步研究网络和互连网络体系结构。在这里，100个COMP、110个REP1和10个RTR节点，共有44,000个内存量子位，通过220条链路连接在一起。其中100条链路使用BSA节点;其余的都是直接联系。

一个更大的问题是多路复用，这需要AAA。任何网络都会有许多发起、终止或传输的连接。不幸的是，互联网社区在这方面提供的指导较少；自20世纪90年代以来，域间QoS机制一直在发展，但尚未得到广泛部署。因此，我们认为这是最重要的开放研究问题之一。

6.证明

在理想的世界中，一个架构的长期证明应该是广泛采用。当然，在现实中，许多出色的体系结构(处理器、操作系统、通信系统)因为与技术无关的原因而被淘汰。此外，这种回顾性的观点并不能帮助我们评估未来的体系结构。在这里，我们将讨论规则集方法如何导致稳健的协议，以及我们如何通过模拟验证我们的体系结构，记录协议，并朝着现实的实现努力。

6.1规则集推理

规则集体系结构的一个关键目的是使严格推理分布式行为成为可能。在任何时间点，我们都可以在所有节点上列举可能发生的事件集，并询问特定Action子句的执行是否会导致不必要的操作，比如跳转。在跨越过程中，在 A-B-C-D 节点链中，如果 B 和 C 各自负责执行纠缠交换，则资源状态的不协调选择可能导致 A-C 和 B-D 纠缠，而不是所需的 A-D 纠缠。

在另一个示例中，如果A-B纠缠已经完成，B正在等待B-C纠缠来执行交换，那么就会出现一个竞态条件，当B收到B-C纠缠的通知并执行交换操作时，A决定丢弃Bell对(由于长时间等待期间产生的内存退相干)。 从 B 到 A 的消息通知 A 交换事件来得太晚了，A 已经重新初始化了它的量子比特以供重用。 如果 C 在收到 B 的通知后选择使用 ersatz A-C 对将 C 的重要数据传送到 A 时，这尤其成问题。使用 RuleSet 逻辑，我们可以检测这种潜在的竞争条件并定义规则，以便 A 不会丢弃 贝尔配对直到 B 完成后，通过给 B 一个丢弃计时器，该计时器大于与 A 的单向消息传递延迟。

6.2模拟、规范和实现

为了验证我们的设计，我们正在实现一个称为QuISP(量子互联网仿真包)的高度可扩展模拟器。1G网络、由规则集控制的纠缠交换和净化以及连接设置已经完成(但仍在继续发展);基本的路由和电路交换多路复用都是功能性的，并通过了包含的测试，但仍处于积极的开发中。全光路径正在积极发展。目前正在为2G和多个国家设计规则集。完整的 QRNA 协议集正在设计中，模拟器的性能已经过测量，可以充分扩展到笔记本电脑上的数百个节点，足以演示复杂的、多层次的、递归的网络互联。

任何网络系统，尤其是打算开放的网络系统，都必须得到协议和行为规范的支持。 编写此类文档的难度可以看作是关于架构的优雅和简单的一个证据。 我们的模拟器工作从一组设计文档开始，我们有一些目前正在开发的核心协议的规范。

此外，我们正在与量子互联网工作组 (QITF) 密切合作，这是一个量子互联网测试平台计划，不仅希望构建单一网络，而且实际上专注于网络和互联网络架构的可扩展性。 我们期望这里介绍的架构的某些方面将被直接采用，而其他方面无疑将因合作而发生重大变化。

7.结论

最终，我们提出的量子互联网络架构基于三个关键点：互联网络和可扩展性的递归架构、基于规则集的连接操作，提供跨不同硬件的正确词汇表，以及两遍连接设置例程（出站信息收集、入站规则集分发） ）。 这种结构将允许互联网的持续发展，为物理技术和协议的分布式、独立进步提供平台。

我们的工作正在迅速成熟，设计、规范和模拟非常先进，并且在严肃的规划实际实施阶段。特别是，随着不同小组正在参与详细讨论，规则集设计将面临在异构环境中工作的挑战，我们希望进一步验证通用方法，即使细节可能会发生变化。尽管在路由和多路复用方面已经有了扎实的工作，但设计一个大规模的健壮系统，并在几十年内为我们提供良好的服务，可能是最值得关注的领域。

有了这种结构，我们觉得架构和协议正与硬件一起朝着成熟到可用水平的方向发展，尽管正如引言中提到的那样，经验表明体系结构成熟得更慢。但是，我们希望充分利用过去半个世纪在数据网络研究和开发中获得的知识。这将带领我们走过进化阶段，最终形成一个支持加密、传感器和分布式计算应用的完整量子互联网。

原文链接：https://arxiv.org/pdf/2112.07092.pdf

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