该白皮书由紫金山实验室、江苏省未来网络创新研究院等单位联合编写，系统梳理量子互联网的技术基础、架构设计、关键技术及算网协同方向，为量子互联网从理论走向工程化提供参考，核心内容如下：

一、量子信息技术基础

1、核心概念与原理

量子力学基础：区别于经典力学，微观粒子状态由波函数描述，核心特性包括叠加态（如光子同时处于水平 / 竖直偏振）、纠缠态（两粒子测量结果非局域关联，如 Bell 态、GHZ 态）、量子操作（量子逻辑门，如 X 门、Hadamard 门、CNOT 门）及量子测量（投影测量、POVM 测量，需通过测量获取量子态信息）。

量子态演化：遵循薛定谔方程，通过演化算符实现状态随时间的变化，为量子计算与通信提供理论支撑。

2、典型量子应用

量子通信：含量子密钥分发（QKD，如 BB84、E91、MDI-QKD、TF-QKD 协议，从物理层面保障安全）、量子隐形传态（通过纠缠信道传输未知量子态，需经典通信辅助）、量子安全直接通信（QSDC，无需密钥直接传输信息）。

量子计算：利用量子叠加实现并行运算，发展分为四阶段，当前处于 “含噪音中等尺度量子（NISQ）” 阶段，关键算法包括 Shor（大数分解）、Grover（量子搜索），物理实现路径涵盖线性光学、原子（中性原子 / 离子阱）、超导量子比特、固态自旋等。

量子精密测量：突破标准量子极限（SQL），利用压缩态 / 纠缠提升测量精度，典型场景包括全球量子时钟网络（提升时钟稳定性）、长基线望远镜（延长基线距离提升探测精度）。

3、实验系统（物理实现）

介绍不同量子比特载体的特性：线性光学（光子为载体，适合通信）、原子系统（相干时间长，如里德堡原子）、固态自旋（如氮 - 空穴金刚石色心，兼顾存储与操控）、超导量子比特（门操作快，需极低温环境）、腔系统（增强光与原子耦合，作为数据总线）。

二、量子互联网架构与关键技术

1、量子互联网概述

定义与定位：连接量子节点，支持量子通信、计算等经典互联网无法实现的应用，当前处于初期阶段，硬件（量子比特保真度、存储时间）与软件（协议栈、运行模式）均不成熟。

发展阶段：Wehner 提出六阶段演进（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）。

国内外现状：美国 DARPA、欧洲 SECOQC、中国量子城域网与 “墨子号” 天地网等项目已落地，均以可信中继为主。

2、量子中继技术

分为四类，核心是 “分而治之” 解决远距离量子信号衰减问题：

第一代：预报式纠缠分发 + 纠缠纯化 + 纠缠交换（克服光子丢失与操作错误）；

第二代：预报式分发 + 量子纠错码 + 纠缠交换（用纠错替代纯化）；

第三代：全量子纠错码（同时解决丢失与错误）；

全光中继：簇态产生 + 纠缠交换（降低对量子存储的依赖）。

3、量子互联网协议栈

借鉴经典互联网架构，不同研究团队提出差异化方案：

Van Meter（日本）：五层协议栈（物理层→链路纠缠层→远程态构建层→错误管理层→应用层），适配第一代中继；

Wehner（荷兰）：五层协议栈（物理层→链路层→网络层→传输层→应用层），与经典 TCP/IP 命名一致但功能不同，不单独设纠错层；

Dür（奥地利）：四层协议栈（物理层→连接层→链路层→网络层），聚焦预先构建纠缠信道，无应用层；

中国团队（如中科大 Li）：五层协议栈，支持预先构建纠缠，链路层负责反馈信号处理。

4、量子分组交换技术

突破经典分组交换思路，适配量子信号特性：

量子封装网络方案：采用 “经典 - 量子混合帧”（经典包头 + 量子负载），通过时分 / 波分复用生成帧，节点处分离包头与负载（经典处理器处理包头，量子存储暂存负载），支持单光子与纠缠网络；

经典帧辅助混合方案：无需混合帧，用经典帧分配纠缠信道（无导向 / 帧导向两种产生方式），通过纠缠交换延长信道，实现端到端纠缠分发，兼容不同中继技术。

三、初期量子互联网运行模式设计

针对初期量子设备少、资源有限的场景，提出集中式调控方案：

1、基本假设：网络设备少、量子内存小、相干时间短、传输技术多样（纠错码 / 隐形传态）。

2、整体要求：

网络布局：分 “主体网络”（中央调控，兼容多代中继）与 “用户网络”（用户 + 邻近路由节点）；

节点类型：用户、用户端量子路由器（第三代中继）、主体网络路由器 / 中继器；

调控模式：全网集中式（中央控制器下发规则，主体网络负责端到端分发）。

3、请求运行流程：

本地请求：同一路由器下用户间通信，由路由器直接处理（计算方案→资源检查→建立连接）；

远程请求：跨路由器用户通信，需中央控制器参与（路径计算→资源确认→分配 ID→建立连接）。

四、量子应用协议示例

以两类核心应用展示端到端流程：

1、量子密钥分发（BBM92 协议）：

流程：用户发送 QKD 请求→中央控制器选路径（如 A1-1-5-4-D2）→相邻节点构建逻辑纠缠信道→经典帧辅助分组交换实现端到端纠缠→双方随机选测量基→比对基矢→窃听检测→生成安全密钥。

2、分布式量子计算：

核心：通过量子互联网实现非局域 CNOT 门，利用端到端纠缠信道（参考 QKD 的纠缠分发），结合本地量子操作与经典通信，将分散量子处理器连接成大系统，突破单芯片比特数限制。

五、量子算网协同

1、发展趋势：

量子云计算：用户通过云访问量子资源，未来需与量子网络融合实现分布式云；

量子 - 超算融合：将量子处理单元（QPU）作为超算加速器，适配变分量子算法等混合任务，部署方式分远程访问、本地集成、节点集成；

分布式量子计算：分 “仅经典通信”（线路切割、尴尬并行）与 “量子 + 经典通信”（线路分布，需远程量子门），突破单芯片限制。

2、发展背景（协同必要性）：

量子应用对保真度要求高（需≥0.5，部分场景更高）；

量子比特相干时间短（如超导百微秒、离子阱超 1 小时），要求通信延迟严格匹配；

计算 / 通信量子比特需权衡资源分配；

初期量子网络带宽低（<1000 qubits/s），需精细调度。

3、基础理论与研究方向：

资源抽象建模：量子算力（基础测控 / 综合性能 / 应用性能指标）、量子网络（吞吐量、纠缠建立时间、保真度）；

业务建模：抽象量子业务对算力（比特数、相干时间）与网络（纠缠数量、保真度）的需求；

调度框架：匹配业务与资源，需协调经典 / 量子资源，优化路径与量子比特分配。

六、总结与展望

1、当前阶段

量子互联网处于初期，核心瓶颈是实用化量子中继（需长相干存储、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。

2、未来方向

技术：突破量子中继与纠错、完善分组交换与路由；

业态：发展量子算网协同等混合业态，需构建资源建模与调度体系；

目标：推动量子互联网从 “单点技术” 走向 “系统工程”，支撑量子通信、计算的规模化应用。