量子信息技术基础 - 量子力学基础特性包括叠加态（如光子同时处于水平/竖直偏振）、纠缠态（如Bell态、GHZ态的非局域关联）及量子操作（如X门、Hadamard门、CNOT门）和量子测量（投影测量、POVM测量）[1] - 量子通信应用涵盖量子密钥分发（QKD协议包括BB84、E91、MDI-QKD、TF-QKD）、量子隐形传态（需经典通信辅助）和量子安全直接通信（QSDC）[2] - 量子计算处于含噪音中等尺度量子（NISQ）阶段，关键算法包括Shor（大数分解）和Grover（量子搜索），物理实现路径含线性光学、原子系统、超导量子比特等[2] - 量子精密测量突破标准量子极限（SQL），利用压缩态/纠缠提升精度，应用场景包括全球量子时钟网络和长基线望远镜[2] - 量子比特载体特性包括线性光学（光子适合通信）、原子系统（相干时间长）、固态自旋（如氮-空穴金刚石色心）、超导量子比特（门操作快需低温）和腔系统（增强光原子耦合）[3] 量子互联网架构与关键技术 - 量子互联网定义为实现经典互联网无法支持的应用（如量子通信和计算），当前处于初期阶段，硬件（量子比特保真度、存储时间）和软件（协议栈）均不成熟[4] - 发展分为六阶段（可信中继→准备和测量→纠缠分发→量子存储→容错少量子比特→量子计算网络），当前多处于可信中继或准备和测量阶段，中国已实现基于量子中继的多节点纠缠分发（最远12.5公里）[4] - 国内外现状包括美国DARPA、欧洲SECOQC、中国量子城域网与墨子号天地网等项目，均以可信中继为主[4] - 量子中继技术分四类：第一代（预报式纠缠分发+纠缠纯化+纠缠交换）、第二代（预报式分发+量子纠错码+纠缠交换）、第三代（全量子纠错码）和全光中继（簇态产生+纠缠交换）[5][6] - 量子互联网协议栈存在多种方案：Van Meter五层（物理层→链路纠缠层→远程态构建层→错误管理层→应用层）、Wehner五层（物理层→链路层→网络层→传输层→应用层）、Dür四层（物理层→连接层→链路层→网络层）和中国团队五层（支持预先构建纠缠）[7] - 量子分组交换采用经典-量子混合帧（经典包头+量子负载）或经典帧辅助混合方案，通过时分/波分复用实现单光子和纠缠网络兼容[8] 初期量子互联网运行模式 - 基本假设包括网络设备少、量子内存小、相干时间短及传输技术多样（纠错码/隐形传态）[9] - 网络布局分主体网络（中央调控兼容多代中继）和用户网络（用户+邻近路由节点），节点类型包括用户、用户端量子路由器和主体网络路由器/中继器[10] - 调控模式为全网集中式，中央控制器下发规则处理本地请求（同一路由器下用户通信）和远程请求（跨路由器用户通信需路径计算和资源确认）[11] 量子应用协议 - 量子密钥分发（BBM92协议）流程：用户发送请求→中央控制器选路径→相邻节点构建逻辑纠缠信道→经典帧辅助实现端到端纠缠→随机选测量基→窃听检测→生成安全密钥[12][13] - 分布式量子计算核心是通过量子互联网实现非局域CNOT门，利用端到端纠缠信道结合本地操作与经典通信，连接分散量子处理器突破单芯片比特数限制[14] 量子算网协同 - 发展趋势包括量子云计算（用户通过云访问量子资源）、量子-超算融合（量子处理单元作为超算加速器）和分布式量子计算（分仅经典通信和量子+经典通信两类）[15] - 协同必要性源于量子应用高保真度要求（需≥0.5）、量子比特相干时间短（如超导百微秒、离子阱超1小时）、计算/通信量子比特资源权衡及初期网络带宽低（<1000 qubits/s）[16] - 基础理论研究含资源抽象建模（量子算力指标和网络吞吐量、纠缠建立时间、保真度）、业务建模（量子业务对算力与网络需求）及调度框架（优化路径与量子比特分配）[17] 总结与展望 - 当前阶段核心瓶颈是实用化量子中继（需长相干存储和量子纠错突破）与数据交换技术，可复用经典互联网基础设施（如光纤、光开关）降低成本[18] - 未来方向包括技术突破（量子中继与纠错、分组交换与路由）、业态发展（量子算网协同需构建资源建模与调度体系）及目标推动量子互联网从单点技术走向系统工程[19]