未来网络发展大会：2025量子互联网与算网协同体系架构白皮书

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未来网络技术发展系列白皮书（2025） 量子互联网与算网协同 体系架构白皮书 第九届未来网络发展大会组委会 2025年8月 版权声明 本白皮书版权属于紫金山实验室及其合作单位所有并受法律保 护，任何个人或是组织在转载、摘编或以其他方式引用本白皮书中的 文字、数据、图片或者观点时，应注明“来源：紫金山实验室等”。 否则将可能违反中国有关知识产权的相关法律和法规，对此紫金山实 验室有权追究侵权者的相关法律责任。 编写说明 主要编写单位： 紫金山实验室 江苏省未来网络创新研究院 北京邮电大学 主要编写人员： 张浩、李媛、张晨、黄韬、刘韵洁 I 前 言 从量子这个概念的提出，到以半导体技术为基础的第一次量子革 命，孕育出了现代计算机文明，给人们的社会生活带来了巨大的变化。 其中极具代表性的应用场景之一就是计算机通信和互联网，其使得人 与人之间的交流变得非常方便。近几十年来，以操控量子态为基础的 第二次量子革命又带来了新的量子信息技术，比如量子通信、量子计 算和量子精密测量。这类新技术都是以量子力学原理来进一步突破原 有的技术路线。其中量子通信是利用量子不可克隆原理从物理上实现 绝对安全通信；量子计算是利用量子态叠加原理实现并行运算，极大 提高计算速度；而量子精密测量则是突破标准量子极限进一步提升测 量精度。在实用化的过程中，随着用户和节点数目的增加，很自然地 就形成了量子网络。当网络的覆盖面变得很大，类似于当今全球互联 网时，就形成了量子互联网。所以在将量子信息实用化的过程中，对 量子互联网进行深入的研究和发展是必然趋势。 目前量子互联网的发展还处在初期阶段。由于其和经典互联网的 基本原理不同，很多经典互联网的发展模式和技术都无法直接借鉴过 来。现阶段不论是底层的硬件技术，如量子门操作速度和保真度、量 子纠错和量子存储时间等，还是上层的量子互联网体系架构，如运行 模式和协议栈，都不成熟。这也导致在量子互联网的研究中还面临很 多新的问题和挑战。 本白皮书首先简洁地介绍和梳理量子互联网相关的基本原理和 II 技术，包括部分量子信息基础知识和代表性协议等。随后介绍量子互 联网的发展现状和代表性的体系架构方案。最后围绕量子互联网的基 本技术路线提出构建未来量子互联网的运行模式，讨论和展望量子算 网协同的研究内容和可能的发展方向。本白皮书旨在通过对量子互联 网的介绍、梳理和展望，为量子互联网从基础理论研究朝工程和产业 化发展提供一个架构和技术层面的参考。 III 目 录 前 言......................................................................................................I 目 录...................................................................................................III 一、量子信息技术概述.............................................................................5 1.1 量子信息基本概念......................................................................5 1.2 典型量子应用............................................................................13 1.5 实验系统....................................................................................26 二、量子互联网架构...............................................................................30 2.1 量子互联网概述........................................................................30 2.2 量子中继及其分类....................................................................33 2.3 量子互联网协议栈....................................................................37 三、量子互联网分组交换技术.............................................................. 42 3.1 基于量子封装网络的分组交换方案....................................... 42 3.2 经典帧辅助的混合分组交换方案........................................... 46 四、量子互联网运行模式设计.............................................................. 52 4.1 基本假设....................................................................................53 4.2 量子网络设计整体要求........................................................... 53 4.3 量子请求运行方案....................................................................55 五、量子应用协议运行示例...................................................................57 5.1 量子密钥分发............................................................................58 IV 5.2 分布式量子计算........................................................................62 六、量子算网协同...................................................................................63 6.1 量子计算协同化发展趋势....................................................... 63 6.2 量子算网协同发展背景........................................................... 66 6.3 量子算网协同基础理论和研究方向....................................... 68 七、总结与展望.......................................................................................73 附录 A：术语与缩略语...........................................................................76 参考文献...................................................................................................78 5 一、量子信息技术概述 1.1 量子信息基本概念 1.1.1 从经典力学到量子力学 图 1. 从宏观尺度的篮球到微观尺度的原子。相应的物理理论从经典 力学过渡到量子力学。 在日常生活中，我们肉眼所能见到的物体的运动行为都属于经典 物理所研究的范畴。比如一块被水平扔出去的石头做抛物线运行，踩 油门让车加速等。这些运动规律都可以被牛顿力学所描述。通过给定 物体的质量和受力情况就可以通过 F  ma 这个公式去计算物体的加 速度，再结合运动学公式和初始状态计算该物体往后任意时刻的运动 状态。然而牛顿力学可以计算的运动规律是有范围的，即低速宏观弱 引力场情况。如图 1 所示，当我们研究的物体尺寸从日常生活中见到 的宏观世界，如飞机、汽车和篮球，逐渐变小到了原子尺寸的微观世 界时，情况大不相同。而描述这个微观世界粒子运动规律的理论就是 量子力学。在量子力学中，微观粒子的运动状态由波函数  表达。 6 只要完全搞清楚物体的波函数  随着时间如何变化就可以完全掌握 物体的运动状态。此时经典力学中的 F  ma 这个公式已经无法使用， 需要用薛定谔方程   H t i     来计算物体的波函数  。其实基于量 子力学的技术和产品早已被我们使用，比如电脑和手机中的半导体， 其中的原理就用到了量子力学能带理论。 1.1.2 量子态及其演化 上面说到了微观世界粒子的运动规律需要用量子力学所描述。而 在量子力学中，一个粒子的状态，也就是量子态，用波函数描述。在 符号上，我们习惯用 来表示，或者用狄拉克符号  表示。比如一 个光子有水平和竖直两个偏振状态，此时我们就可以分别将其表示为 H （水平 Horizontal 首字母）和 V （竖直 Vertical 首字母）。一个原 子有自旋向上和向下两种状态，可以表示为  和  。甚至一只猫的 死和活的状态，都可以表达为 死 和 活 。量子力学中的概念有很多， 为简单起见，我们只在这里介绍几个后续内容涉及到的重要概念。下 面我们重点介绍两个非常重要的基本概念：叠加态和纠缠态。 图 2. 经典物理的态和量子力学中的态。抛硬币为例，白色向上为 0， 黑色向上为 1。量子力学区域最右侧为 0 和 1 的叠加态。 叠加态是指一个系统同时处于两种或多种量子态的状态。在数学 7 上表示为一个系统的几个量子态线性叠加。比如一个光子同时处于水 平偏振和竖直偏振，表示为  V  H 2 1    。表达式中的 2 1 是归一 化因子。一个原子同时处于自旋向上和向下       2 1  。如果一 个物体同时处于 n 种状态，就是   n 2 1 ... 1         n 。这种情况 也许会让没接触过量子力学的人感到很奇怪。因为在我们先前经验中 见到的世界里，一个物体的状态只会出现某一种。以抛硬币为例来对 比一下经典世界和量子世界，如图 2 所示。硬币白色朝上为 0，黑色 朝上为 1。左侧虚线框内的经典世界要么出现 0 要么出现 1。右侧的 虚线框内的量子世界就很奇特，既可以独立出现 0 和 1，也可以出现 0 和 1 的叠加态，也就是 0 和 1 同时存在。这种叠加态其实对于我们 生活在宏观世界的人来说很难想象。因为我们从出生到现在见到的世 界里的状态都是某一个确定的状态，比如光子要么处于水平偏振，要 么就是竖直偏振。一只猫，要么是死的，要么就是活的。同时处于死 和活的状态是一种什么样子，我们根本想象不出来。所以在量子力学 建立的早期，许多量子物理学家都很难接受其他人甚至自己提出的一 些理论带来的“奇怪”结论。其中对于叠加态的质疑就是著名的薛定谔 的猫。物理学家们通过猫能否同时处于死和活的状态来质疑量子力学 的正确性。因为按照量子理论，微观世界的粒子是有叠加态的。但是 宏观世界，我们的生活经验告诉我们，这是不可能的。因为我们从未 看到过一只猫既是死的又是活的。物理学家们通过将猫的死活状态和 微观粒子的状态绑定在一起，想从猫不可能同时处于死和活这个宏观 8 世界的事实反过来质疑量子力学叠加态是不成立的。至于为什么宏观 世界看不到薛定谔猫这种现象，开放系统理论认为宏观世界中的物体 并不是一个孤立系统，周围有很多物体和其相互作用，这就导致了量 子态的退相干，很难处于量子世界中的叠加态，也就解释了为什么我 们无法在经典世界中看到这类现象。 图 3. 纠缠态及其测量后的状态。p 为该测量结果出现的概率。 另一个重要的概念是纠缠态。纠缠态是两个或多个系统的状态不 能表示为各个系统量子态直积形式的态。以两个物体为例，通常在没 有任何关联的情况下，物体 1 的状态为 1 ，物体 2 的状态为  2 。 将他们看成一个复合体系来表达，其状态为 2 1      ，其中 为 直积符号。有时为了简便，省略中间的直积符号，直接写为   1  2 。 如果是纠缠态，其复合系统的状态就无法写成直积形式，也就是 2 1      。以光子为例，如果两个光子组成的复合系统的偏振状 态表达式为   2 1 2 1 V V H H 2 1    ，其无法写成两个光子各自状态 的直积形式。此时两个光子之间是纠缠的，对其中一个光子进行 H/V 9 测量，如果测量结果为 H，则另外一个光子的状态也是 H。同样测量 到 V，则另外一个光子的状态就变为 V。目前的量子理论认为这种关 联是非局域的。当两个相距很远的光子处于纠缠态，这种关联依然成 立。总体来看，两光子组成的复合系统其实就是一个叠加态，即同时 处于量子态 H1 H2 和 V1 V2 。图 3 为两个纠缠态的例子，分别考虑 两个纠缠态α|00 +β|11 和α|01 +β|10 ，系数满足归一化条件 α 2+ β 2=1。 当纠缠态被测量时，其结果会出现关联。而这两种结果出现的概率由 量子态中的系数决定的。例如对于纠缠态α|00 +β|11 ，测量后的结果 总是两个白色朝上（00），或者两个黑色朝上（11）。而得到这两个结 果的概率分别为 α 2和 β 2。对于纠缠态α|01 +β|10 ，结果总是一黑一 白，也就是 01 或者 10。 对于两比特的最大纠缠态，我们叫做 Bell 态（Bell state），其有 四种情况，分别表示为： |Ψ+ = 1 2 (|00 +|11 ), |Ψ+ = 1 2 (|00 −|11 ), |Φ+ = 1 2 (|01 +|10 ), |Φ− = 1 2 (|01 −|10 ). 这四个 Bell 态是量子信息中经常用到的纠缠态，后续内容也会经常涉 及。对于三比特的纠缠态，常见的有 GHZ（Greenberger-Horne-Zeilinger） 态，也就是|GHZ = 1 3 (|000 ± |111 )。n 比特 GHZ 态的表达式为 10 1 n (|00...0 ± |11...1 )，上述狄拉克符号中有 n 个 0 和 n 个 1。 当一个物体的量子态随着时间进行演化的，其数学上的表达为 (0) ( ) ( )   U t t  ，其中 U(t) 为演化算符。在上式中给定时间 t 后，就 可以计算出该时刻的量子态。而演化算符 U(t) 由系统的哈密顿量 H 决 定。以上的计算表达式本质都是计算薛定谔方程   H t i     来求解 系统的波函数   t 。 更详细的介绍可参考书籍[1-4]。 1.1.3 量子操作 对一个系统进行的各类量子操作都可以叫做量子逻辑门。当然这 类量子操作最终都是作用在系统的量子态上，可以通过量子操作来改 变系统的状态。比如最简单的比特翻转门 X，可以将 0 和 1 进行翻转， 其表达为： 1 X 0  和 0 X 1  。当基矢为|0 = 1 0 ，|1 = 0 1 时，X 门的 矩阵形式为      0 1 1 0 X 。再如 Hadamard 门，当基矢为|0 = 1 0 ，|1 = 0 1 时，其矩阵形式是       1 1 1 1 2 1 H 。所以 Hadamard 门有  1  0 2 1 H 0   和  1  0 2 1 H 1   。如果是两比特系统，除了有每个量子位的单量子 比特操作，还有两量子比特门。最常见的就是受控非门（CNOT）， 其作用就是当控制位比特为 0 时，靶位不做任何操作，当控制位为 1 时，靶位进行比特翻转。有时候也可以将控制位的态反过来控制，比 如控制位为 1 时靶位翻转，控制位为 0 时不做操作。考虑控制位为 1 进 行 靶 位 的 比 特 翻 转 情 况 ， 其 CNOT 门 的 态 矢 表 达 形 式 为 11 10 11 11 10 01 01 00 00 CNOT     。 当 基 矢 为 |00 = 1 0 0 0 T ， |01 = 0 1 0 0 T，|10 = 0 0 1 0 T和|11 = 0 0 0 1 T时（这里的 T 表示矩阵 转置），其矩阵形式为              0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 CNOT . 两比特的量子门还有控制 Z 门、控制相位门和交换门。在量子计算中， 通常会用量子线路的形式来表达门操作序列。图 4 所示为几个单量子 比特门和两量子比特 CNOT 门的量子线路表示。 图 4. 量子门操作线路图。（a）泡利 X 门，也称为比特翻转操作。（b） 泡利 Y 门。（c）泡利 Z 门，也称为相位翻转操作。（d）Hadamard 门。 （e）两比特 CNOT 门，上侧带黑色点的量子比特为控制位，下侧带 圆圈的量子比特为靶位。 更详细的介绍可参考书籍[5]。 1.1.4 量子测量 测量是量子力学中一个非常重要的概念和过程。因为量子力学中， 系统的状态都是由波函数 来描述。但是波函数并不是一个可观测量， 无法直接被观测到。所以要想实验上确切知道一个系统的状态，必须 通过测量一个可观测量去获取状态信息。对于量子测量的基本假设是 12 其由一组满足完备性条件 k Mk †Mk=I � 的测量算子 Mk 作用在被测量系 统的状态空间上，测量后系统的状态以 p(k)= ψ Mk †Mk ψ 的可能性由 |ψ 变为 Mk|ψ ψ Mk †Mk ψ 。这里要求算符满足完备性条件是因为测量得到 的所有可能状态的概率之和为 1，即 �k p(k) = k ψ Mk †Mk ψ =1 � 。以单 量子比特的二能级系统为例子，假设初始量子态为|ψ =α|0 +β|1 ，系 数已归一化。如果测量算子为M0=|0 0|和M1=|1 1|，则测量得到结果 为 0 的概率为 p(0)= α 2，测量后状态为 M0 α |ψ = α α |0 ；测量得到的结果 为 1 的概率为 p(1)= β 2，测量后状态为 M1 β |ψ =