2024 全球6G技術(shù)大會 -10.0J 面向6G時代前沿技術(shù)初探 -量子信息技術(shù) 2024白皮書

無處不在的智能作為首要方面，作為普遍適用于所有使用場景的設(shè)計原則。在另一項關(guān)于2030年及以后IMT未來發(fā)展的建議中，ITU-R提到，與RAN相關(guān)的量子技術(shù)，可在允許通過網(wǎng)絡(luò)實體合法交換敏感信息時確保安全性和彈性。因此，應(yīng)用量子技術(shù)的白皮書中，我們介紹了過去一年量子信息技術(shù)（和實驗開始，隨后介紹了世界各地最先進的QKD標準化活動。對6G的影響分別介紹了在車聯(lián)網(wǎng)上部署的量子加密演示，與G.698.4設(shè)備集成連續(xù)可變QKD(CV-QKD)，以及量子密第3章深入研究了如何通過應(yīng)用量子計算來滿足6G所期望的通信系統(tǒng)性能的大幅提升和不同領(lǐng)域提供量身定制的計算支撐服務(wù)，促進研究創(chuàng)新和產(chǎn)品落地。第三，通過三個例子介 2.量子通信與網(wǎng)絡(luò) 2.1關(guān)鍵技術(shù) 2.1.1量子密鑰分發(fā) 2.1.2量子隨機數(shù)生成器 2.1.3量子信息網(wǎng)絡(luò) 2.2量子密鑰分發(fā)標準化活動 2.2.1中國標準化進展 2.2.2國際性標準化進展 2.3對6G的影響 2.3.1車聯(lián)網(wǎng)中的量子加密 2.3.2量子加密與承載網(wǎng)設(shè)備集成 2.3.3量子通信安全 3.量子計算 3.1通信計算場景及關(guān)鍵問題 3.1.2網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 3.1.3業(yè)務(wù)處理 3.1.4網(wǎng)絡(luò)智能化 3.2量子混合異構(gòu)計算 3.3對6G的影響 3.3.1單小區(qū)大規(guī)模MIMO天線優(yōu)化 203.3.2多小區(qū)大規(guī)模MIMO波束選擇 223.3.3毫米波信號相位校正 244.未來展望 275.致謝 28這份每年修訂的白皮書旨在介紹量子信息技術(shù)(quantuminformationtechnologies,QITs)的最新研究進展，以滿足6G或后6G時代在通信和計算方面所面臨的嚴格要求。除了QITs為通信和網(wǎng)絡(luò)，以及計算帶來的預(yù)期收益之外，本版本的白皮書還提出了對2024年量子技術(shù)研究的一些展望。第2章量子通信與網(wǎng)絡(luò)第2章將重點介紹量子安全通信，它利用量子力學原理來保護關(guān)鍵信息安全。2023年，以下關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了持續(xù)不斷的理論和實驗進展。量子密鑰分發(fā)(quantumkeydistribution,QKD)方面，科研成果和經(jīng)典量子共傳輸研究取得了突破，并且QKD系統(tǒng)的性能也得到了進一步提升。量子隨機數(shù)生成器(Quantumrandomnumbergenerator,QRNG)技術(shù)正朝著更高效、更穩(wěn)定的目標進行研發(fā)改進。許多實驗室和研究機構(gòu)開展了大量實驗來驗證量子信息網(wǎng)絡(luò)(quantumInformationNetwork,QIN)的可行性和穩(wěn)定性。關(guān)于QKD的標準化活動，主要的標準化組織正積極制定相關(guān)的標準，涵蓋術(shù)語定義、應(yīng)用場景和需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備技術(shù)要求、QKD安全、測試評估方法等各個方面。最后，白皮書通過三個示例討論了量子技術(shù)對6G的影響：車聯(lián)網(wǎng)中的量子加密演示；將連續(xù)變量QKD(CV-QKD)技術(shù)與G.698.4設(shè)備集成，從而使QKD融入現(xiàn)有經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)，充分利用現(xiàn)有電信基礎(chǔ)設(shè)施；在6G網(wǎng)絡(luò)中部署量子密碼技術(shù)，實現(xiàn)通信系統(tǒng)的整體安全管理。第3章量子計算為了滿足6G預(yù)期的大幅提升的通信系統(tǒng)性能和豐富多樣的創(chuàng)新業(yè)務(wù)，第3章將深入探討如何利用量子計算技術(shù)來增強通信能力。首先，考慮到通信本質(zhì)上是一系列的數(shù)學計算，白皮書從計算角度描述了一個分層的通信網(wǎng)絡(luò)，以便分析通信計算場景和關(guān)鍵問題，包括信號處理、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、業(yè)務(wù)處理和網(wǎng)絡(luò)智能化。其次，提出了一種“經(jīng)典+量子”混合計算平臺，該平臺擁有強大的計算基礎(chǔ)，可提供針對不同領(lǐng)域的定制化計算支持業(yè)務(wù)，促進研究創(chuàng)新和產(chǎn)品實現(xiàn)。值得一提的是，這種混合計算平臺的架構(gòu)設(shè)計遵循了模塊化、標準化、廣泛兼容、自主安全和智能高效的原則和理念。第三，通過三個示例介紹了量子計算對6G的影響，這些示例分別利用量子計算來解決經(jīng)典通信問題。這三個示例包括：使用濾波變分量子算法(FilteringVariationalQuantumAlgorithm,FVQE)解決單小區(qū)大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)天線優(yōu)化問題；使用基于相干伊辛模型(CoherentIsingmachines,CIM)設(shè)計的量子算法解決MIMO波束選擇(MIMObeamselection,MBS)問題；以及通過在終端側(cè)應(yīng)用量子支持向量機(QuantumSupportVectorMachine,QSVM)算法獲得的相位偏移校正模型來解決毫米波信號相位校正問題，從而降低參考信號開銷。第4章未來展望2023年最后一個季度，我們見證了量子領(lǐng)域的一個行業(yè)里程碑，即突破了1,000個量子比特的壁壘，賦予量子計算機前所未有的計算能力。與此同時，來自學術(shù)界的專家們創(chuàng)造了迄今為止擁有最多邏輯量子比特（即48個邏輯量子比特）的量子計算機。邏輯量子比特相較于硬件量子比特，有望顯著減少量子計算機遭受的大量糾錯開銷。因此，2024年可能會成為量子計算技術(shù)的重要一年，屆時量子計算領(lǐng)域預(yù)計將從物理量子比特轉(zhuǎn)向糾錯邏輯量子比特；與此同時，抗量子密碼學研究也將加速發(fā)展。2.量子通信與網(wǎng)絡(luò)量子通信利用量子疊加態(tài)或糾纏態(tài)來實現(xiàn)密鑰分發(fā)或信息傳輸，在理論上具有無條件安全性。量子密鑰分發(fā)(Quantumkeydistribution,QKD)是發(fā)展最成熟的量子通信技術(shù)，其基于量子力學基本原理，并結(jié)合“一次一密”的加密方式在通信用戶之間傳輸密鑰。2023年，圍繞QKD開展了各種理論和實驗，在科研成果和經(jīng)典量子共傳輸?shù)确矫娴难芯咳〉昧诉M展，并且QKD系統(tǒng)的性能進一步提升。由清華大學聯(lián)合團隊通過將測量互補性與量子非局域性聯(lián)系起來，給出了設(shè)備無關(guān)QKD(Dcvice-independent,DI-QKD)協(xié)議的安全證明，為DIQKD的實用化提供了新的理論工具1。由澳大利亞國立大學牽頭的聯(lián)合團隊提出了一種測量設(shè)備無關(guān)的QKD協(xié)議，該協(xié)議需要制備高維量子態(tài)并使用相干總光子數(shù)方法進行測量，仿真表明當編碼在7維度狀態(tài)時，它可以在比雙場協(xié)議更短的距離內(nèi)突破PLOB極限2。由中國電信科學技術(shù)研究院牽頭的合作項目成功地在光傳輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)演示了高達1Tbps的總傳輸數(shù)據(jù)容量，該實驗采用少模光纖在100.96公里實現(xiàn)共纖傳輸，生成為2.7kbps的安全密鑰速率(securitykeyrate,SKR)3。使用固態(tài)單光子發(fā)射器進行QKD實驗因其性能的快速提高和與未來量子網(wǎng)絡(luò)的兼容性而日益受到關(guān)注。由英國赫瑞-瓦特大學牽頭的聯(lián)合團隊使用InGaAs量子點作為單光子源進行了QKD實驗，在100公里的距離和一分鐘的采集時間內(nèi)生成了13kbps的有限密鑰4。這些研究成果有助于探索QKD應(yīng)用并實現(xiàn)大規(guī)模QKD網(wǎng)絡(luò)。目前，基于QKD和其他技術(shù)方案的量子通信系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)外實現(xiàn)商用。然而，商用QKD系統(tǒng)仍面臨著安全密鑰速率、傳輸距離、設(shè)備體積和成本高等方面的挑戰(zhàn)。制備測量方案是商用QKD的主要技術(shù)手段-，可以-分為兩種類型：連續(xù)變量QKD(continuousvariableQKD,CV-QKD)和離散變量QKD(discretevariable,DV-QKD)。CV-QKD的優(yōu)勢在于可以在城域距離內(nèi)利用經(jīng)典通信檢測方案實現(xiàn)較高的SKR。2023年，山西大學1/10.1103/PhysRevLett.131.1408012/10.1038/s41534-023-00698-53/10.1364/OL.5004064/10.1038/s41467-023-39219-5采用離散調(diào)制CV-QKD技術(shù)在80公里范圍內(nèi)生成了2.11Mbps的SKR5。上海交通大學利用發(fā)射端光 源集成系統(tǒng)在50公里距離上實現(xiàn)了0.75Mbps的SKR6。丹麥技術(shù)大學采用接收端集成方案系統(tǒng)在10 公里距離上實現(xiàn)了300Mbps的SKR7?；F盧大學給出了離散調(diào)制CV-QKD的有限密鑰長度安全性證明，并通過實驗演示了QKD傳輸距離可以超過72公里，密鑰長度為10128。DV-QKD實驗系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，SKR和傳輸距離均取得了一定的提升。2023年，日內(nèi)瓦應(yīng)用物理小組利用多像素超導納米探測器(SuperconductingNanowireSinglePhotonDetector,SNSPD)編碼的時分制QKD技術(shù)，實現(xiàn)了10公里距離上的64MbpsSKR9。中國科學技術(shù)大學的研究團隊利用多像素SNSPDs取得了雙方面的突破：使用基于誘騙態(tài)BB84QKD協(xié)議10，在10公里光纖鏈路上實現(xiàn)了115.8Mbps的SKR的新紀錄；采用3強度發(fā)送-不發(fā)送雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議(Sending-or-not-sendingTwin-fieldquantumkeydistribution,SNS-TF-QKD)，實現(xiàn)了在1002公里光纖通道上無中繼的QKD。這些研究表明，當前的技術(shù)可以滿足高帶寬通信的加密需求，并且在長距離通信方面也具有可行性。實現(xiàn)QKD產(chǎn)業(yè)化需要低成本、可批量生產(chǎn)且實用的QKD設(shè)備。從商業(yè)應(yīng)用的角度來看，量子通信的核心器件，包括QKD編碼器和解碼器，正朝著小型化和高性價比的方向發(fā)展。中國信息通信科技集團旗下國家信息光電子創(chuàng)新中心研制了硅基偏振態(tài)調(diào)制器和解調(diào)器?？恐@兩個模塊，在150公里的距離上實現(xiàn)了基于量子位的時鐘同步和芯片級偏振補償，達到了866bps的SKR11。瑞士日內(nèi)瓦大學和意大利光子學和納米技術(shù)研究所的研究人員演示了一種基于芯片的QKD系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用支持高速調(diào)制的硅基發(fā)射器芯片和鋁硼硅酸鹽玻璃中的偏振無關(guān)低損耗接收器芯片，在151公里的距離上實現(xiàn)了1.3kbps的傳輸12。2.1.2量子隨機數(shù)生成器量子隨機數(shù)生成器(QuantumRandomNumberGenerator,QRNG)是一種利用量子力學原理生成真隨機數(shù)的器件。與傳統(tǒng)隨機數(shù)生成器不同，QRNG基于真空態(tài)噪聲、激光自發(fā)輻射的量子相位噪聲和光子數(shù)統(tǒng)計等量子光學原理生成真隨機數(shù)。它是迄今為止唯一在理論上可證的真隨機數(shù)生成器，利用量子力學5/10.1364/OL.4920826/10.1364/PRJ.4733287/abs/2305.196428/10.1103/PRXQuantum.4.0403069/10.1038/s41566-023-01168-210/10.1038/s41566-023-01166-411/10.1364/PRJ.48294212/10.1364/PRJ.481475的不確定性來保證生成高度不可預(yù)測且不相關(guān)的隨機數(shù)。QRNG具有重要的應(yīng)用價值。在密碼學中，真隨機數(shù)對于密鑰生成、加密算法和認證等至關(guān)重要。QRNG可以提供更高的安全性防止密碼破解。需要注意的是，QRNG僅保證生成序列的真隨機性，并不包含分發(fā)過程的安全性。QRNG技術(shù)正處于開發(fā)和改進階段。許多研究機構(gòu)和公司致力于研發(fā)更高效、更穩(wěn)定的QRNG。2023年，來自根特大學牽頭聯(lián)合團隊的研究人員通過實驗演示了一種超快的隨機數(shù)生成速率，達到100Gbit/s，將基于真空漲落的QRNG速率提升了一個數(shù)量級，創(chuàng)下新紀錄13。英國QuantumDice公司發(fā)布了其最新一代APEXQRNG，該款生成器具有高達7.5Gbps14的后處理隨機數(shù)生成速率，同時可以集成到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中，并具備高安全性特性。德國聯(lián)邦教育和研究部資助基于芯片級量子隨機數(shù)生成器項目15，旨在開發(fā)一款基于量子光子效應(yīng)的高速隨機數(shù)生成芯片，并滿足IT產(chǎn)品安全共同準則。隨著量子科技的進一步發(fā)展，QRNG預(yù)計將被用于更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并為信息安全和科學研究領(lǐng)域作出重大貢獻。量子信息網(wǎng)絡(luò)(QuantumInformationNetworks,QIN)是基于量子力學原理的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它利用量子糾纏、量子隱形傳態(tài)、量子中繼等關(guān)鍵技術(shù)，旨在實現(xiàn)量子長距離通信、量子計算和量子信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等功能。QIN目前是量子信息領(lǐng)域的研究熱點，代表著未來通信和計算的前沿發(fā)展方向。近年來，國內(nèi)外都在積極推進量子信息網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)和應(yīng)用，許多實驗室和研究機構(gòu)開展了大量的實驗來驗證QIN的可行性和穩(wěn)定性。2023年，中國科學技術(shù)大學、北京大學的研究人員在“祖沖之”超導量子計算機平臺上實現(xiàn)了51位量子比特糾纏，使用了高保真并行量子門，實現(xiàn)了51位的一維簇態(tài)和30位的二維簇態(tài)，保真度分別為0.637±0.030和0.671±0.00616。北京大學等的聯(lián)合團隊構(gòu)建了基于芯片的多維量子糾纏網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由1個中央芯片通過光纖連接3個端芯片構(gòu)成，利用混合復(fù)用技術(shù)，在端芯片有效實現(xiàn)了糾纏恢復(fù)和全連接，該成果為建設(shè)大規(guī)模、實用化的糾纏網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)17。美國國家標準與技術(shù)研究院(NationalInstituteofStandardsandTechnology,NIST)搭建了NG-QNet測試平臺，用于驗證QIN基礎(chǔ)組件的功能18。林肯實驗室領(lǐng)導的研究團隊建造了一個50公里的三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)實驗平臺(Boston-AreaQuantumNetwork,13/10.1103/PRXQuantum.4.010330/quantum-dice-launches-the-new-generation-of-apex-the-worlds-fastest-quantum-random-number-generator-enabling-trusted-cybersecurity-for-enterprise-applications/15https://www.ipms.fraunhofer.de/en/press-media/press/2023/Photonic-quantum-chip.html16/10.1038/s41586-023-06195-117/doi/10.1126/science.adg921018/programs-projects/quantum-communications-and-networksBARQNET)，用于測試量子態(tài)信號傳輸特性和補償機制19?；F盧大學將與歐洲研究團隊合作，計劃通過量子衛(wèi)星鏈路連接加拿大和歐洲20。佛羅里達大學與加拿大卡爾加里大學合作，提出并啟動了基于衛(wèi)星中繼的量子信息網(wǎng)絡(luò)21。與此同時，一些公司也積極參與QIN的研發(fā)。例如，Qunnect公司與紐約大學合作，成功測試了使用高糾纏量子光子構(gòu)建的16公里長的QIN鏈路22。這些努力和合作有望推動QIN的發(fā)展和應(yīng)用。2.2量子密鑰分發(fā)標準化活動近年來，主要的標準化組織積極開展了QKD相關(guān)標準的制定工作，包括中國通信標準化協(xié)會(ChinaCommunicationsStandardizationAssociation,CCSA)、中國密碼工業(yè)標準化技術(shù)委員會(ChinaCryptographyIndustryStandardizationTechnicalCommittee,CSTC)、全國信息安全標準化技術(shù)委員會(NationalInformationSecurityStandardizationTechnicalCommittee,TC260)等國內(nèi)機構(gòu)；國際上則有國際標準化組織(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)、國際電信聯(lián)盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)和歐洲電信標準化協(xié)會(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute,ETSI)等組織參與。這些標準的制定涵蓋了術(shù)語定義、應(yīng)用場景和需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備技術(shù)要求、QKD安全性、測試評估方法等方面。.中國通信標準化協(xié)會(CCSA)CCSA是中國信息通信領(lǐng)域從事通信標準體系研究的標準化組織。CCSA成立了量子通信和信息技術(shù)領(lǐng)域第七專項工作組(7thSpecialTaskGroup,ST7)，包括兩個子工作組：量子通信工作組(QuantumCommunicationWorkingGroup，WG1)和量子信息處理工作組(QuantumInformationProcessingWorkingGroup，WG2)兩個分工作組。ST7在術(shù)語定義、應(yīng)用場景和需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備技術(shù)要求、QKD安全性和測試評估方法等方面啟動了25個標準研制項目。其中，國家標準GB/T42829-2023《量子安全通信應(yīng)用基本要求》于2023年8月正式發(fā)布。另外還有12項通信行業(yè)標準也已正式發(fā)布實施：19/10.48550/arXiv.2307.1569620https://uwaterloo.ca/news/science/connecting-canada-and-europe-through-quantum-satellite?utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_campaign=news21/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.02404822/about/news-publications/news/2023/september/nyu-takes-quantum-step-in-establishing-cutting-edge-tech-hub-in-.html《量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典光通信共纖傳輸技術(shù)要求》(YD/T4632-2023)《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)測試方法第2部分：基于高斯調(diào)制相干態(tài)協(xié)議的QKD系統(tǒng)》(YD/T3835.2-2023)《量子密鑰分發(fā)(QKD)網(wǎng)絡(luò)AK接口技術(shù)要求第1部分：應(yīng)用程序接口(API)》(YD/T4410.1-2023)《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)技術(shù)要求第2部分：基于高斯調(diào)制相干態(tài)協(xié)議的QKD系統(tǒng)》(YD/T3834.2-2023)《基于IPSec協(xié)議的量子安全通信應(yīng)用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》(YD/T4303-2023)《量子密鑰分發(fā)(QKD)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)規(guī)范-第1部分：NMS系統(tǒng)功能》(YD/T4302.1-2023)《量子安全通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)》(YD/T4301-2023)《基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)(QKD)的關(guān)鍵組件與模塊-第2部分：單光子探測器》(YD/T3907.2-2022)《基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)(QKD)的關(guān)鍵組件與模塊-第1部分：激光源》(YD/T3907.1-2022)《基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)(QKD)的關(guān)鍵組件與模塊-第3部分：量子隨機數(shù)生成器(QRNG)》(YD/T3907.3-2021)《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)測試方法-第1部分：誘騙態(tài)BB84協(xié)議QKD系統(tǒng)》(YD/T3835.1-2021)《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)技術(shù)要求-第1部分：(YD/T3834.1-2021)誘騙態(tài)BB84協(xié)議QKD系統(tǒng)》(YD/T3835.1-2021).中國密碼行業(yè)標準化技術(shù)委員會(CSTC)QKD技術(shù)涉及密碼的生成、管理和使用。CSTC開展了QKD技術(shù)規(guī)范和評測體系等密碼行業(yè)標準研究。目前，已經(jīng)正式發(fā)布了以下兩項量子相關(guān)的密碼行業(yè)標準：《誘騙態(tài)BB84量子密鑰分發(fā)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范》(GM/T0108-2021)《誘騙態(tài)BB84量子密鑰分發(fā)產(chǎn)品測試規(guī)范》(GM/T0114-2021).全國信息安全標準化技術(shù)委員會(TC260)TC260是中國信息安全技術(shù)領(lǐng)域從事信息安全標準化工作的技術(shù)組織，負責組織和開展國家信息安全相關(guān)的標準化技術(shù)工作。TC260承擔ISO/IECJTC1/SC27等信息安全相關(guān)國際標準化組織的相應(yīng)業(yè)務(wù)工作。由全國信息安全標準化技術(shù)委員會主導推動的量子安全通信領(lǐng)域的兩項國際標準提案，ISO/IEC23837-1《量子密鑰分發(fā)的安全要求、測試和評估方法第1部分：要求》和ISO/IEC23837-2《量子密鑰分發(fā)安全要求、測試和評估方法第2部分：測試和評估方法》已經(jīng)正式發(fā)布。.國際標準化組織(ISO)ISO是目前世界上最大、最權(quán)威的國際標準化機構(gòu)，國際電工委員會(InternationalElectrotechnicalCommission,IEC)負責電氣和電子工程領(lǐng)域的國際標準化工作。國際標準化組織/國際電工委員會第一聯(lián)合技術(shù)委員會(FirstJointTechnicalCommitteeoftheInternationalOrganizationforStandardization/InternationalElectrotechnicalCommission,ISO/IECJTC1)是信息技術(shù)領(lǐng)域的國際標準化委員會，負責信息技術(shù)的國際標準化工作。其中，ISO/IECJTC1下設(shè)的信息技術(shù)安全技術(shù)分委會信息安全、網(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護分委會(InformationSecurity,NetworkSecurityandPrivacyProtectionSubcommittee,ISO/IECJTC1SC27)負責信息技術(shù)安全的一般方法和技術(shù)的標準化，包括確定信息技術(shù)安全業(yè)務(wù)的一般要求，開發(fā)安全技術(shù)和機制，提出安全指南，以及為管理準備支持性文件和標準。SC27在2023年正式發(fā)布了由中國主導的兩個量子密鑰分發(fā)相關(guān)技術(shù)標準：ISO/IEC23837-2:2023信息安全-量子密鑰分發(fā)的安全要求、測試和評估方法-第2部分：評估和測試方法ISO/IEC23837-1:2023信息安全-量子密鑰分發(fā)的安全要求、測試和評估方法-第1部分：要求:.國際電信聯(lián)盟(ITU)ITU是負責信息和通信技術(shù)事務(wù)的聯(lián)合國機構(gòu)，負責制定全球電信標準。ITU下屬的電信標準化部門密切關(guān)注量子信息技術(shù)的發(fā)展及其未來對信息通信網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)業(yè)的影響。ITU-T量子通信相關(guān)標準化工作目前處于世界領(lǐng)先地位。ITU-T的量子通信相關(guān)技術(shù)標準包括Q系列-交換和信令及其相關(guān)的測量和測試，X系列-數(shù)據(jù)網(wǎng)、開放系統(tǒng)通信和安全，以及Y系列-全球信息基礎(chǔ)設(shè)施、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議方面、下一代網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市。Q系列標準中與量子通信相關(guān)的部分是Q.4160-Q.4179：量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和信令。目前已經(jīng)正式發(fā)布的標準包括：ITU-TQ.4160(12/2023)：《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-協(xié)議框架》ITU-TQ.4161(12/2023)：《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的Ak接口協(xié)議》ITU-TQ.4162(12/2023)：《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的Kq-1接口協(xié)議》ITU-TQ.4163(12/2023)：《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的Kx接口協(xié)議》ITU-TQ.4164(12/2023)：《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的Ck接口協(xié)議》X系列標準中與量子通信相關(guān)的部分是X.1700-X.1729：量子通信。目前已經(jīng)正式發(fā)布的標準包括：X.1702:《量子噪聲隨機數(shù)生成器架構(gòu)》X.1710:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的安全框架》X.1712:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的安全要求和措施-密鑰管理》X.1714:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的密鑰組合和保密密鑰提供》X.1715:《集成量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)和安全存儲網(wǎng)絡(luò)的安全要求和措施》Y系列標準中與量子通信相關(guān)的部分是Y.3800-Y.3999：量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。目前已經(jīng)正式發(fā)布的標準包括：Y.3800:《支持量子密鑰分發(fā)的網(wǎng)絡(luò)概述Y.3801:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的功能要求》Y.3802:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-功能架構(gòu)》Y.3803:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-密鑰管理》Y.3804:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-控制和管理》Y.3805:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制》Y.3806:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-服務(wù)質(zhì)量保證要求》Y.3807:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-服務(wù)質(zhì)量參數(shù)》Y.3808:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)和安全存儲網(wǎng)絡(luò)集成框架》Y.3809:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)部署的基于角色的模型》Y.3810:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)-框架》Y.3811:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-服務(wù)質(zhì)量保證的功能架構(gòu)》Y.3812:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-基于機器學習的服務(wù)質(zhì)量保證要求》Y.3813:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)-功能要求》Y.3814:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-機器學習啟用的功能要求和架構(gòu)》Y.3815:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-韌性概述》Y.3816:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-基于機器學習的服務(wù)質(zhì)量保證功能架構(gòu)增強》Y.3817:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)-服務(wù)質(zhì)量保證要求》Y.3818:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)-架構(gòu)》Y.3819:《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)-自治管理和控制啟用的要求和架構(gòu)模型》.歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)ETSI是歐洲的一個獨立的非盈利性區(qū)域信息通信技術(shù)標準化組織。ETSI在2008年就成立了ISG-QKD標準組，專門探索QKD的標準化。ETSI發(fā)布了12份技術(shù)規(guī)范，涵蓋術(shù)語定義、防護配置文件、系統(tǒng)組件、應(yīng)用接口、安全證書、部署參數(shù)等方面。其中，應(yīng)用接口、組件和內(nèi)部接口以及控制接口均已發(fā)布了第二版：ETSIGSQKD016V1.1.1(2023-04)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：共同準則保護配置文件-成對制備測量式量子密鑰分發(fā)模塊》ETSIGSQKD018V1.1.1(2022-04)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：軟件定義網(wǎng)絡(luò)的編排接口》ETSIGSQKD015V2.1.1(2022-04)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：軟件定義網(wǎng)絡(luò)的控制接口》ETSIGSQKD004V2.1.1(2020-08)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：應(yīng)用接口》ETSIGSQKD014V1.1.1(2019-02)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：基于REST的密鑰傳遞API的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式》ETSIGSQKD012V1.1.1(2019-02)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：用于QKD部署的設(shè)備和通信通道參ETSIGRQKD007V1.1.1(2018-12)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：詞匯表》ETSIGRQKD003V2.1.1(2018-03)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：組件和內(nèi)部接口》ETSIGSQKD011V1.1.1(2016-05)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：組件表征-用于QKD系統(tǒng)的光學組件表征》ETSIGSQKD008V1.1.1(2010-12)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：QKD模塊安全規(guī)范》ETSIGSQKD005V1.1.1(2010-12)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：安全證明》ETSIGSQKD002V1.1.1(2010-06)：《量子密鑰分發(fā)(QKD)：使用案例》2.3.1車聯(lián)網(wǎng)中的量子加密中國聯(lián)通構(gòu)建了量子密鑰云平臺，從QKD或QRNG獲取量子密鑰，安全存儲和管理密鑰。通過安全機制，可以將量子密鑰分發(fā)到用戶安全終端，提供高級別的安全保護。利用該量子密鑰云平臺，我們已經(jīng)開展了一些量子加密演示，例如量子加密通話、量子公網(wǎng)集群對講、量子視頻會議和量子無人機巡邏。最近，我們展示了車聯(lián)網(wǎng)場景中的量子加密。在此場景下，指揮調(diào)度信號需要高級別的安全性，以確保自動駕駛或遠程駕駛下車輛的安全。我們將量子密鑰云平臺部署在車聯(lián)網(wǎng)中，并通過專有網(wǎng)絡(luò)連接到智能交通服務(wù)云平臺、自動泊車系統(tǒng)和遠程駕駛艙。車輛和路側(cè)單元(roadsideunit,RSU)可以通過承載網(wǎng)絡(luò)連接。我們可以在平臺和系統(tǒng)中集成量子軟件開發(fā)工具包(SDK)，或者在終端側(cè)部署量子密鑰盒，可以從量子密鑰云平臺獲取量子密鑰，并對指揮調(diào)度信號進行量子加密。量子SDK也可集成到車輛的無線通信模塊中，為車輛提供網(wǎng)絡(luò)接入。安全終端和平臺使用預(yù)加載的量子密鑰進行身份認證和初始加密。車聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲非常敏感，因為車輛行駛速度很快。因此，我們測試了加密/解密導致的額外延遲，并證明對原始服務(wù)沒有太大影響。圖1車聯(lián)網(wǎng)場景中的量子加密2.3.2量子加密與承載網(wǎng)設(shè)備集成通常，QKD網(wǎng)絡(luò)需要建立額外的光纖，這在承載網(wǎng)絡(luò)中部署也非常昂貴。我們希望將QKD融合到經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以節(jié)省光纖資源并利用現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施。G.698.4系統(tǒng)是一種多通道雙向密集波分復(fù)用(DenseWavelengthDivisionMultiplexing,DWDM)系統(tǒng)，可用于前傳網(wǎng)絡(luò)、城域承載網(wǎng)。該系統(tǒng)利用低成本的C波段可調(diào)諧激光器，并采用雙向的OD/OM/OADM技術(shù)。對于城域或接入應(yīng)用，其最大覆蓋距離約為20公里，并且不使用光放大器。G.698.4系統(tǒng)不包含光放大器，這在QKD系統(tǒng)中是不允許的。此外，CV-QKD是一種新型技術(shù)，對經(jīng)典通信引起的噪聲具有更強的魯棒性，并且比DV-QKD便宜得多。因此，將CV-QKD與G.698.4設(shè)備集成非常方便。如圖2所示，我們將CV-QKD與G.698.4設(shè)備集成。該設(shè)備包括QKD模塊、光通信模塊、WDM模塊、加密模塊和控制模塊。CV-QKD的量子信號使用WDM模塊與G.698.4系統(tǒng)的波長復(fù)用，并通過相同的光纖傳輸。經(jīng)過共傳輸后，量子信號在接收端由WDM模塊分離。QKD模塊產(chǎn)生的量子密鑰被發(fā)送到加密模塊，可以將明文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為密文。我們還將QKD控制功能集成到G.698.4中，以實現(xiàn)加密參數(shù)設(shè)置，例如加密方法、量子密鑰有效期。圖2CV-QKD與G.698.4設(shè)備的集成量子通信是一種利用量子力學原理進行信息傳輸?shù)男滦屯ㄐ欧绞?，它利用量子態(tài)的特殊性質(zhì)，例如量子疊加態(tài)和量子糾纏，實現(xiàn)信息的安全傳輸。量子密碼技術(shù)是量子通信安全的核心技術(shù)，是量子通信技術(shù)的基礎(chǔ)。量子密碼技術(shù)是指利用量子態(tài)作為信息加密和解密的核心技術(shù)，其中QKD結(jié)合了量子力學和量子密碼學的原理。量子密碼技術(shù)通過利用量子態(tài)生成和分發(fā)加密密鑰來確保密鑰的安全性。量子密碼技術(shù)主要通過量子密鑰實現(xiàn)機密傳輸，數(shù)據(jù)機密性通過相應(yīng)的單光子量子交換來實現(xiàn)。在量子密鑰層，量子密鑰將為每個用戶提供相應(yīng)的量子密鑰通信服務(wù)。在實際傳輸過程中，單光子的量子形式難以被觀察和復(fù)制，并且在傳輸過程中使用“一次一密”的方法。因此，只有雙方同時使用各自的密鑰才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的解密，從而可以提高傳輸過程中的數(shù)據(jù)信息機密性，并確保數(shù)據(jù)信息不會被竊取和篡改。通過在6G網(wǎng)絡(luò)中部署量子密碼技術(shù)，實現(xiàn)通信系統(tǒng)的整體安全管理。量子密碼技術(shù)將量子密鑰作為主要保密手段，為6G通信中具有相應(yīng)權(quán)限的用戶分發(fā)量子密鑰，在數(shù)據(jù)存儲和傳輸過程中進行非順序替換和形態(tài)變化，實現(xiàn)6G通信的端到端安全保障。3.1通信計算場景及關(guān)鍵問題通信的本質(zhì)是一系列數(shù)學計算。從計算的角度來看，通信網(wǎng)絡(luò)可以簡單地分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖3所示。其中，物理層主要負責通信信號處理，網(wǎng)絡(luò)層負責拓撲、接入、路由、資源管理，應(yīng)用層則主要負責服務(wù)優(yōu)化和流量管理。為了提高處理性能，機器學習(machinelearning,ML)被引入到每一層，并成為通信領(lǐng)域一種特殊的重要計算場景。此外，每一層的安全性一直是默認的計算場景。圖3計算視角的分層通信網(wǎng)絡(luò)通信信號處理是通信的基礎(chǔ)計算。以無線信號處理為例，信號處理涉及發(fā)射端和接收端雙方的信號變換、濾波、編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)、傳輸、檢測、估計和干擾協(xié)調(diào)等操作。對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)、大帶寬正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)系統(tǒng)和大規(guī)模終端接入系統(tǒng)，信道估計、預(yù)編碼、信號檢測以及信道編碼和解碼等信號處理的計算復(fù)雜度會顯著增加。大規(guī)模MIMO信號處理。大規(guī)模MIMO信號處理存在于大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)、分布式天線系統(tǒng)和蜂窩無蜂窩系統(tǒng)中，涉及信道估計、預(yù)編碼、信號檢測等處理過程，包括矩陣乘法、求逆、張量積、共軛轉(zhuǎn)置、分解等高維矩陣運算。這些基本操作需要大量的計算資源，對系統(tǒng)設(shè)計提出了重大挑戰(zhàn)。目前，為了解決這個計算問題，通常采用壓縮感知或關(guān)鍵參數(shù)估計等方法，利用高維信號的稀疏特性，以較小的計算代價實現(xiàn)有效的信號處理。大規(guī)模終端接入信號處理：無線通信系統(tǒng)連接的終端（用戶）數(shù)量日益增加。在多個終端共享接入資源的情況下，隨著終端數(shù)量的增加，無線接入信號的維度也會增加，給信道估計、多用戶信號檢測和干擾協(xié)調(diào)帶來困難。高頻率和大帶寬信號處理：毫米波、太赫茲和可見光頻段可以提供更大的帶寬，但寬帶無線信號帶來更大的矩陣運算和信道編碼解碼，尤其是長碼的復(fù)雜性。另一方面，高頻寬帶無線系統(tǒng)也將用于目標測距、測速、測角等定位場景，需要進行雷達信號計算。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的總體目標是通過網(wǎng)絡(luò)拓撲、功能、服務(wù)、參數(shù)和資源等方面的優(yōu)化方法來提高客戶滿意度。網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化是指在滿足整體流量傳輸和災(zāi)難恢復(fù)備份需求的前提下，盡量降低整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化貫穿于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)運維的每一個環(huán)節(jié)。與此相關(guān)的是路由優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化是指通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置最大化網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，主要包括盲區(qū)、弱區(qū)、重疊區(qū)和導頻干擾區(qū)優(yōu)化。對于大規(guī)模天線系統(tǒng)，需要優(yōu)化的信號波束和數(shù)據(jù)波束參數(shù)較多，優(yōu)化空間大，問題復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)容量優(yōu)化是指合理分配用戶流量到網(wǎng)絡(luò)資源中，以最大化系統(tǒng)容量。無線網(wǎng)絡(luò)容量優(yōu)化主要包括單站多用戶接入控制、多用戶調(diào)度和負載均衡。網(wǎng)絡(luò)節(jié)能優(yōu)化是指在滿足既定服務(wù)需求的情況下，以最低的能源消耗成本為目標，重點優(yōu)化最小速率約束下的功率控制、基站/載波切換和計算任務(wù)卸載/遷移。業(yè)務(wù)處理主要指網(wǎng)絡(luò)中的源信號處理和業(yè)務(wù)優(yōu)化。大規(guī)模多模態(tài)業(yè)務(wù)的發(fā)展對計算能力提出了更高的要求。源信號處理是指對圖像、視頻、語音、文本等源內(nèi)容進行采樣、量化、表示、編碼、壓縮、傳輸和重構(gòu)等一系列計算過程。隨著元宇宙業(yè)務(wù)的逐步興起，對3D視頻的預(yù)制作或?qū)崟r渲染需要更高的計算能力。近年來，基于自然語言處理、計算機視覺、語音識別等AI服務(wù)，特別是基于大型模型的業(yè)務(wù)，更是爆炸式地增加了計算能力需求。同時，語義通信技術(shù)取代符號表示，采用語義表示，提供了一種新的源編碼傳輸方式，也為源信號處理帶來了新的計算場景。業(yè)務(wù)優(yōu)化是指通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)設(shè)備、功能、參數(shù)等，使網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與服務(wù)狀態(tài)相匹配，保證端到端的業(yè)務(wù)質(zhì)量。業(yè)務(wù)優(yōu)化的重點包括流量預(yù)測、流量優(yōu)化、用戶行為預(yù)測、內(nèi)容分發(fā)、緩存優(yōu)化、業(yè)務(wù)遷移和業(yè)務(wù)參數(shù)優(yōu)化等。機器學習將應(yīng)用場景中的原始問題計算轉(zhuǎn)化為機器學習中的計算，為信號處理、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和業(yè)務(wù)優(yōu)化提供了新的算法范式。智能信號處理：AI技術(shù)在信號處理方面的應(yīng)用已經(jīng)在通信領(lǐng)域得到了廣泛的開展。其中，監(jiān)督學習具備回歸和分類能力，用于信道參數(shù)檢測和估計、調(diào)制模式檢測和分類、頻譜感知和檢測。可以對信號進行聚類和降維的非監(jiān)督學習，可用于降低高維通信信號的維數(shù)；強化學習擅長決策和預(yù)測，可用于頻譜感知與共享；深度學習可以對通信信號進行分類、估計、消除干擾，以及完成信道估計、信號檢測、波束管理等諸多信號處理相關(guān)任務(wù)。這些AI方法在大數(shù)據(jù)分析、高效參數(shù)估計、交互式?jīng)Q策等方面有獨特的優(yōu)勢，但是存在模型訓練復(fù)雜度高、參數(shù)估計量大等問題，對通信系統(tǒng)的計算能力提出了很高的要求。智能網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為基于機器學習模型和算法的模型訓練和推理計算。網(wǎng)絡(luò)和AI也可以在架構(gòu)層面實現(xiàn)深度融合。智能業(yè)務(wù)處理：幾乎所有業(yè)務(wù)優(yōu)化問題都可以通過引入機器學習來解決和提升，例如流量檢測、分類和預(yù)測，內(nèi)容分發(fā)和緩存優(yōu)化，用戶行為特征分析，業(yè)務(wù)參數(shù)優(yōu)化等等。3.2量子混合異構(gòu)計算計算能力是AI行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。訓練大規(guī)模深度學習模型需要巨大的計算成本，許多企業(yè)和研究機構(gòu)難以持續(xù)獲得此類資源進行開發(fā)。另一方面，量子計算有可能從理論、范式、硬件、算法和應(yīng)用等多個維度增強AI的計算能力。這種增強顯著提高了訓練效率，同時降低了計算成本。此外，在特定或計算難解的問題領(lǐng)域，如組合優(yōu)化、仿真和機器學習，量子計算自然具有優(yōu)勢，能夠有效利用和擴展超越經(jīng)典計算集群的計算資源。因此，針對來自各種應(yīng)用驅(qū)動型企業(yè)和研究機構(gòu)對計算資源的廣泛需求，一種“經(jīng)典+量子”混合計算平臺將提供技術(shù)先進且經(jīng)濟實惠的計算服務(wù)?！敖?jīng)典+量子”混合計算平臺在硬件層面由兩部分組成：量子計算和經(jīng)典計算。在軟件方面，它既涵蓋量子軟件平臺，也涵蓋經(jīng)典計算軟件平臺。解決方案的整體架構(gòu)應(yīng)遵循模塊化、標準化、廣泛兼容、自主安全和智能高效的原則和概念。有效設(shè)計和配置系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，確保其與軟件的需求和特性相匹配，最大限度地發(fā)揮硬件能力，提高計算效率，滿足未來發(fā)展和系統(tǒng)升級的需求。核心系統(tǒng)架構(gòu)包括核心系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)設(shè)施和軟件基礎(chǔ)設(shè)施。首先，核心硬件基礎(chǔ)設(shè)施的主芯片和加速器芯片可以采用商用芯片和國產(chǎn)芯片結(jié)合的方式，以保證在復(fù)雜多變的國際環(huán)境中芯片供應(yīng)鏈和應(yīng)用生態(tài)的安全性。主芯片采用兼容x86的架構(gòu)（包括國產(chǎn)的海光x86處理器），加速器芯片則采用兼容主流GPU生態(tài)的架構(gòu)。這種方式平衡了國際認可的硬件和國產(chǎn)可控的核心硬件，具有良好的生態(tài)兼容性。它可以廣泛兼容大量成熟的應(yīng)用軟件和AI框架，便于集成各種計算資源，滿足AI訓練、推理、數(shù)值模擬、大數(shù)據(jù)處理、量子計算等多種計算模式的需求。這種跨越眾多應(yīng)用場景的無縫兼容性降低了應(yīng)用程序的開發(fā)成本。此外，硬件基礎(chǔ)設(shè)施層采用多種計算設(shè)備，能夠根據(jù)不同應(yīng)用的差異化計算特性提供計算資源，從而實現(xiàn)靈活的資源分配。其次，核心系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)設(shè)施層需要集成AI、高性能計算和大數(shù)據(jù)等多種計算框架。通過計算服務(wù)中間件的管理，實現(xiàn)工作空間管理、資源管理、資源調(diào)度、應(yīng)用中心、計費管理、權(quán)限管理和用戶管理等功能。在計算方面，AI計算平臺需要支持訓練和推理兩種不同的應(yīng)用場景。它應(yīng)該支持數(shù)據(jù)集管理、超參數(shù)調(diào)整、模型管理、模型開發(fā)、容器服務(wù)、鏡像倉庫、任務(wù)測量和應(yīng)用部署等各種管理功能。它應(yīng)該支持主流的AI計算框架，例如TensorFlow、PyTorch、PaddlePaddle，以及AI算法開發(fā)平臺。對于超級計算，它需要豐富的基礎(chǔ)軟件環(huán)境，包括編譯器、數(shù)學庫、自動配置工具和軟件調(diào)優(yōu)工具。云服務(wù)需要支持彈性擴展等功能。在量子計算領(lǐng)域，需要利用下一代量子模擬技術(shù)，在傳統(tǒng)計算硬件上提供高效可靠的量子計算模擬服務(wù)，從而提高計算效率。統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)有利于支持各種應(yīng)用場景，促進上層應(yīng)用創(chuàng)新，培育繁榮的應(yīng)用生態(tài)，吸引相關(guān)企業(yè)和人才。“經(jīng)典+量子”混合計算平臺憑借其強大的計算基礎(chǔ)，提供針對不同領(lǐng)域的計算支持服務(wù)，促進科研創(chuàng)新和產(chǎn)品落地。計算服務(wù)中間件提供軟硬件一體化的解決方案，硬件層面擁有AI處理芯片，平臺內(nèi)置了各種AI框架和工具包。該設(shè)置使用戶能夠方便地完成算法移植、適配、開發(fā)和測試。適配后的應(yīng)用程序可以通過應(yīng)用管理平臺通過容器鏡像進行打包和部署，減少對部署環(huán)境的依賴。此外，它還可以根據(jù)應(yīng)用程序的計算需求分配和調(diào)度底層的計算資源。并且，它提供完整的應(yīng)用程序生命周期管理功能，包括創(chuàng)建、升級、暫停和終止，確保應(yīng)用程序高效穩(wěn)定運行。量子計算的關(guān)鍵影響在于三個方面：網(wǎng)絡(luò)、機器學習和安全，如圖4所示。量子優(yōu)化、量子搜索、量子信號處理和量子機器學習可以提升網(wǎng)絡(luò)能力和服務(wù)質(zhì)量。研究重點應(yīng)放在設(shè)計用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)智能的量子計算算法。圖4量子計算對通信的影響3.3.1單小區(qū)大規(guī)模MIMO天線優(yōu)化.需求分析以靜態(tài)小區(qū)優(yōu)化為例，該問題的優(yōu)化目標是最大化單小區(qū)覆蓋率，優(yōu)化變量包括水平方位角、仰角（或傾角）、水平波束寬度和垂直波束寬度。假設(shè)基站位于(0,0)，采用單小區(qū)模型。小區(qū)用戶分布在一個以基站為中心的扇形范圍內(nèi)，半徑為300米，扇形角為120°。小區(qū)內(nèi)隨機均勻分布有一些采樣點。覆蓋率是指RSRP大于閾值的門限值的采樣點（即用戶）數(shù)量與小區(qū)內(nèi)所有采樣點數(shù)量的比值。如果RSRP大于閾值，則認為該采樣點可以被天線波束有效覆蓋。圖5單小區(qū)大規(guī)模MIMO天線優(yōu)化變量取值范圍如下：-水平波束寬度：{15°,25°,45°,65°,90°,105°,110°}-垂直波束寬度：{6°,12°,25°}-水平方位角{-30°:1°:30°}該問題屬于NP困難的組合優(yōu)化問題，可以通過量子算法進行求解。.方案設(shè)計上述問題可使用濾波變分量子算法(FilteringVariationalQuantumAlgorithm,FVQE)進行求解。通過引入濾波算子，量子態(tài)演化為：Fψ∝f0其中，f(H,τ)是單調(diào)遞減函數(shù)，實現(xiàn)了基態(tài)的概率放大。利用參數(shù)（例如硬件高效模擬）的變分算法，借助參數(shù)平移規(guī)則逼近濾波算子。如果將大規(guī)模MIMO天線的權(quán)重優(yōu)化問題重新建模為哈密頓量基態(tài)問題，則可以使用該算法進行求解。由于該算法采用硬件高效模擬，因此無需過多考慮線路優(yōu)化和線路映射問題。原始量子芯片悟空支持的基本量子門為{CZ,R?}，其中?是XY平面上的旋轉(zhuǎn)軸與X正方向之間的夾角。通過PyQPanda內(nèi)置的編譯算法，任何SU(2)門都可以轉(zhuǎn)換為具有任意旋轉(zhuǎn)軸的兩個門以及一個VritalZ門。有關(guān)FVQA的更多細節(jié)請參見參考文獻23。.性能仿真驗證與分析仿真結(jié)果表明，該算法可以優(yōu)化覆蓋率，效果與量子粒子群優(yōu)化等經(jīng)典優(yōu)化算法相當。該算法的測試平臺為原始的悟空72比特量子計算機。為了確保可靠的性能，選擇芯片中鏈式耦合的6個量子比特進行測試。該算法獲得最佳解的概率達到70.34%，實現(xiàn)了預(yù)設(shè)的覆蓋率最大化目標。.需求分析大規(guī)模MIMO技術(shù)利用大量天線和波束成形技術(shù)，可以同時提供多個數(shù)據(jù)流，從而實現(xiàn)更高的吞吐量和更好的信號質(zhì)量。這有望改善蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和容量。然而，由于用戶的高移動性和小區(qū)間干擾，傳統(tǒng)的相對靜態(tài)波束成形設(shè)置已無法滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋的動態(tài)需求。MIMO波束選擇(MIMOBeamSelection,MBS)問題日益突出。MBS指在給定約束條件下選擇一組波束以最大化網(wǎng)絡(luò)性能，例如改善信號質(zhì)量和系統(tǒng)吞吐量。具體來說，在MBS問題中，目標覆蓋區(qū)域通常被劃分為網(wǎng)格，每個波束在對應(yīng)網(wǎng)格上都具有參考信號接收功率(ReferenceSignalReceivingPower,RSRP)值。網(wǎng)格的RSRP定義為該網(wǎng)格上接收到的最大RSRP值。MBS問題就是要為每個小區(qū)找到一組波束，使每個網(wǎng)格的RSRP值最大化。MBS問題是一個NP困難的組合優(yōu)化問題，尤其是在具有大量小區(qū)和天線的5G系統(tǒng)中。例如，當多個小區(qū)擁有數(shù)百個波束時，從數(shù)十億種波束組合中找到最優(yōu)解非常困難。對于組合優(yōu)化問題，經(jīng)典算法包括貪婪算法、分支定界算法和模擬退火算法。貪婪算法簡單高效，但可能陷入局部最優(yōu)。分支定界算法可以保證全局最優(yōu)，但計算成本可能很高。模擬退火是一種元啟發(fā)式優(yōu)化算法，通過逐漸降低溫度來促進優(yōu)化向全局最優(yōu)收斂，但并不能保證這一點。相干伊辛模型(CoherentIsingMachines,CIM)已被應(yīng)用于多種場景，包括壓縮感知和作業(yè)調(diào)度問題。研究小組將基于CIM設(shè)計量子算法來解決MBS問題。.問題與解決方案在MBS問題中，目標覆蓋區(qū)域被劃分為網(wǎng)格，如圖6所示，每個網(wǎng)格由多個小型基站覆蓋。每個小23Amaro,Davidetal.“Filteringvariationalquantumalgorithmsforcombinatorialoptimization.”QuantumScience&Technology(2022)7015021.區(qū)都有一組MIMO波束，MBS問題就是要從每個小區(qū)中選擇一定數(shù)量的波束，以使?jié)M足特定約束條件的網(wǎng)格數(shù)量最大化。如果網(wǎng)格中的最大RSRP值超過給定閾值，并且網(wǎng)格中最大RSRP值與次大RSRP值之間的差值超過給定值。則小區(qū)到網(wǎng)格的RSRP由所有波束中的最大RSRP決定。設(shè)置最大信號強度與次大信號強度之間差值閾值的原因在于，在MIMO系統(tǒng)中，波束之間存在互干擾。如果多個波束的信號強度相似，則會造成信號干擾，降低接收機的性能。圖6MBS的問題該問題可以轉(zhuǎn)換為二元二次無約束優(yōu)化(QuadraticUnconstrainedBinaryOptimization,QUBO)形式，具體細節(jié)請參見參考文獻24?；赒UBO模型導出伊辛矩陣，將伊辛矩陣輸入到CIM中，然后運行CIM來解決優(yōu)化問題。.CIM仿真驗證與分析CIM仿真的目的是評估使用CIM作為MBS問題的解決方案是否可行，即解決方案的質(zhì)量和問題規(guī)模是否適合CIM。如圖7所示，CIM的工作方式不同于依賴半導體集成芯片的傳統(tǒng)計算機。相反，它使用光纖中的激光脈沖作為基本計算單元，稱為量子比特。早期研究集中于注入式同步激光伊辛機的想法。由于耦合激光器數(shù)量與量子比特的平方成正比增加，因此提出了一種基于簡并光參量振蕩器(DegenerateOpticalParametricOscillator,DOPO)的改進方案，該方案利用非線性光學晶體。已經(jīng)開發(fā)了兩種基于DOPO的方法，分別是24Huang,Yuhongetal.“QuantumComputingforMIMOBeamSelectionProblem:ModelandOpticalExperimentalSolution.”GLOBECOM2023-2023IEEEGlobalCommunicationsConference(2023):5463-5468.光延遲線CIM和測量反饋CIM。第一種方案的負載和精確控制要求不可接受。研究小組采用由北京玻色量子科技有限公司提供的第二種方法進行CIM仿真。圖7CIM原理圖表1全面比較了CIM物理機、模擬退火(SimulatedAnnealing,SA)和Tabu搜索算法的性能。在所有情況下，CIM物理機始終都能為算法實現(xiàn)找到目標函數(shù)的最優(yōu)值。此外，CIM物理機發(fā)現(xiàn)的解決方案的哈密頓量非常接近最優(yōu)解的哈密頓量，這證實了該方法在簡化模型和尋找接近最低能量值的解決方案方面的有效性。表1CIM物理機、模擬退