近期，紫金山實驗室攜手江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院等機(jī)構(gòu)，共同發(fā)布了一份深度探討量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的白皮書。這份報告全面審視了量子互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基石、架構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)突破以及算網(wǎng)協(xié)同的新方向，為量子互聯(lián)網(wǎng)從理論探索邁向工程實踐提供了寶貴的參考。

量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)構(gòu)建于量子力學(xué)的獨(dú)特原理之上。量子態(tài)，如疊加態(tài)和糾纏態(tài)，展現(xiàn)出與經(jīng)典物理截然不同的特性。疊加態(tài)意味著粒子能同時處于多種狀態(tài)，而糾纏態(tài)則描述了兩個或多個粒子之間的非局域關(guān)聯(lián)。這些特性通過量子邏輯門和量子測量得以操控和觀測，為量子通信和計算提供了理論基礎(chǔ)。薛定諤方程描述了量子態(tài)隨時間的演化，是量子計算和通信的核心支撐。

量子技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊。量子通信方面，量子密鑰分發(fā)確保了信息傳輸?shù)奈锢韺影踩?，量子隱形傳態(tài)實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸，而量子安全直接通信則無需密鑰即可直接傳輸信息。量子計算利用疊加態(tài)實現(xiàn)并行計算，盡管目前仍處于含噪音中等尺度量子階段，但已展現(xiàn)出在特定算法上的巨大潛力，如Shor算法用于大數(shù)分解和Grover算法用于量子搜索。量子精密測量技術(shù)通過突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，提升了測量精度，為全球量子時鐘網(wǎng)絡(luò)和長基線望遠(yuǎn)鏡等應(yīng)用帶來了革新。

在實驗系統(tǒng)方面，不同量子比特載體各具特色。線性光學(xué)系統(tǒng)以光子為載體，適合量子通信；原子系統(tǒng)因其長相干時間而備受青睞；固態(tài)自旋系統(tǒng)如氮-空穴金剛石色心，在存儲和操控方面展現(xiàn)出優(yōu)勢；超導(dǎo)量子比特則以其快速門操作著稱，但需極低溫環(huán)境運(yùn)行；腔系統(tǒng)通過增強(qiáng)光與原子的耦合，作為數(shù)據(jù)總線在量子信息處理中發(fā)揮作用。

量子互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)同樣引人注目。量子互聯(lián)網(wǎng)旨在連接量子節(jié)點(diǎn)，實現(xiàn)量子通信和計算等經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)無法實現(xiàn)的應(yīng)用。當(dāng)前，量子互聯(lián)網(wǎng)仍處于初期階段，硬件和軟件均不成熟。美國DARPA、歐洲SECOQC以及中國的量子城域網(wǎng)和“墨子號”天地網(wǎng)等項目，均以可信中繼為主，逐步推動量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。量子中繼技術(shù)作為解決遠(yuǎn)距離量子信號衰減的關(guān)鍵，經(jīng)歷了從預(yù)報式糾纏分發(fā)到全量子糾錯碼的不同階段。

量子互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的設(shè)計借鑒了經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，但功能有所不同。不同研究團(tuán)隊提出了差異化的協(xié)議棧方案，以適應(yīng)量子通信的特性。量子分組交換技術(shù)則突破了經(jīng)典分組交換的思路，通過經(jīng)典-量子混合幀或經(jīng)典幀輔助混合方案，實現(xiàn)了量子信號的分組交換和端到端糾纏分發(fā)。

針對初期量子設(shè)備少、資源有限的現(xiàn)狀，白皮書提出了集中式調(diào)控方案。該方案基于全網(wǎng)集中式調(diào)控模式，通過中央控制器下發(fā)規(guī)則，主體網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)端到端分發(fā)，有效利用了有限的量子資源。

量子應(yīng)用協(xié)議方面，白皮書以量子密鑰分發(fā)和分布式量子計算為例，展示了端到端流程。量子密鑰分發(fā)通過中央控制器選擇路徑，相鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)建邏輯糾纏信道，實現(xiàn)端到端糾纏，最終生成安全密鑰。分布式量子計算則通過量子互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)非局域CNOT門，將分散的量子處理器連接成大系統(tǒng)，突破了單芯片比特數(shù)的限制。

量子算網(wǎng)協(xié)同作為未來發(fā)展的重要方向，白皮書探討了量子云計算、量子-超算融合以及分布式量子計算等趨勢。這些趨勢要求精細(xì)的資源抽象建模、業(yè)務(wù)建模以及調(diào)度框架設(shè)計，以適應(yīng)量子應(yīng)用對保真度、相干時間以及資源分配的高要求。

總體而言，這份白皮書不僅梳理了量子互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)脈絡(luò)和發(fā)展現(xiàn)狀，還為未來的技術(shù)突破和應(yīng)用拓展提供了清晰的路徑。隨著量子技術(shù)的不斷進(jìn)步和量子互聯(lián)網(wǎng)的逐步成熟，我們有理由相信，量子通信和計算將開啟一個全新的信息時代。