量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究進展與關(guān)鍵技術(shù)

一、前言

量子信息科學是量子力學與信息技術(shù)相結(jié)合的一門新興交叉學科，近年來已發(fā)展成為科技領(lǐng)域關(guān)注的焦點之一。量子信息科學主要包括量子通信、量子計算和量子測量等研究領(lǐng)域。量子通信，從字面上來講，指傳輸量子態(tài)的通信形式，如直接在信道中傳輸量子比特，或者利用糾纏態(tài)為信道傳輸量子信息（稱作量子隱形傳態(tài)）。由于當前的量子通信技術(shù)主要被應(yīng)用于密鑰分配，所以人們常聽到的“量子通信”往往特指量子密鑰分配（QKD）或者基于QKD的（用來傳輸經(jīng)典消息的）保密通信。不同于傳統(tǒng)密碼學中的密鑰分配協(xié)議，QKD的安全性由物理原理來保證，理論上可達到信息論安全，因此具有獨特的優(yōu)勢。人們也嘗試將量子力學性質(zhì)應(yīng)用于完成其他密碼學任務(wù)，如秘密共享、身份認證、數(shù)字簽名、擲幣、比特承諾等，相關(guān)研究屬于量子密碼學的范疇。量子計算是通過調(diào)控量子信息物理單元來進行并行計算的一種先進計算模式，相比經(jīng)典計算，在求解某些特定問題上已展現(xiàn)出了顯著的速度優(yōu)勢，如整數(shù)分解、無序數(shù)據(jù)搜索等。量子網(wǎng)絡(luò)是量子通信和量子計算相結(jié)合的產(chǎn)物，被認為是量子信息技術(shù)發(fā)展的最終目標；作為由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和信道所構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)，可連接量子計算機與其他量子設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。通信信道包括經(jīng)典信道與量子信道，其中經(jīng)典信道用于傳輸經(jīng)典信息，量子信道用于傳輸量子態(tài)。在量子節(jié)點中，量子計算機、量子云服務(wù)器用于實現(xiàn)量子云計算任務(wù)，量子安全通信設(shè)備用于實現(xiàn)量子密碼功能，量子中繼器用于克服信道損耗和噪聲影響、提升量子態(tài)的傳輸距離進而構(gòu)建更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)。圖1量子網(wǎng)絡(luò)的一般架構(gòu)示意圖與經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)相協(xié)同，量子網(wǎng)絡(luò)利用量子力學的基本特性可實現(xiàn)長距離的（安全）通信任務(wù)，或通過分布式計算提供優(yōu)于經(jīng)典計算網(wǎng)絡(luò)的計算能力。量子網(wǎng)絡(luò)為用戶提供了許多傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中無法提供的功能和服務(wù)，為量子信息技術(shù)提供了大規(guī)模應(yīng)用的平臺。國內(nèi)外學者在探索量子網(wǎng)絡(luò)的可用性方面做出了巨大努力，然而量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展仍處于初級階段，由于量子硬件的限制，目前實現(xiàn)長距離、高效率的量子網(wǎng)絡(luò)仍面臨許多挑戰(zhàn)。為了全面了解量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢，更好地應(yīng)對挑戰(zhàn)，我們根據(jù)應(yīng)用場景和技術(shù)手段的不同，將量子網(wǎng)絡(luò)大致分為量子密碼網(wǎng)絡(luò)、量子云計算網(wǎng)絡(luò)和量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)3類。量子密碼網(wǎng)絡(luò)指通過傳輸量子態(tài)來實現(xiàn)各類密碼學任務(wù)的量子網(wǎng)絡(luò)。由于當前技術(shù)上最成熟的量子密碼協(xié)議是QKD，所以現(xiàn)階段的量子密碼網(wǎng)絡(luò)通常是基于QKD的保密通信網(wǎng)。在當前技術(shù)條件下，該網(wǎng)絡(luò)通常直接在光纖/自由空間信道中傳輸量子態(tài)，傳輸距離非常受限。為了提高傳輸距離，往往需要在網(wǎng)絡(luò)中增加“可信中繼”來中繼QKD密鑰，而量子通信衛(wèi)星也往往被用來扮演這種可信中繼的角色。量子云計算網(wǎng)絡(luò)將昂貴的量子計算基礎(chǔ)設(shè)施置于云端供網(wǎng)絡(luò)中的用戶使用。它類似于經(jīng)典云計算網(wǎng)絡(luò)，只不過其計算任務(wù)通常需要量子計算機來參與，如多個量子計算機（或者量子計算機與經(jīng)典超算）以分布式的形式來共同完成某個計算任務(wù)。由于當前技術(shù)條件下難以實現(xiàn)量子態(tài)的高保真度和遠距離傳輸，現(xiàn)階段的量子云計算網(wǎng)絡(luò)往往只是一個公司或研究機構(gòu)將量子計算設(shè)備放在云端供用戶共享使用，網(wǎng)絡(luò)中的通信以經(jīng)典通信為主，量子計算設(shè)備之間、量子計算與經(jīng)典超算之間的協(xié)同還不多見。不難看出，量子態(tài)的遠距離可靠傳輸問題是制約量子密碼網(wǎng)絡(luò)和量子云計算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要因素。量子隱形傳態(tài)是一種以糾纏態(tài)為信道來傳輸量子態(tài)的技術(shù)手段。它首先通過以光纖/自由空間為信道的量子態(tài)傳輸在收發(fā)雙方之間分享糾纏態(tài)，然后發(fā)送方就可以利用該糾纏態(tài)來傳輸量子比特給接收方?；诩m纏交換技術(shù)，人們可以實現(xiàn)真正的量子中繼，進而實現(xiàn)遠距離的糾纏分發(fā)。因此，量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠距離的量子態(tài)傳輸，被看作是未來量子網(wǎng)絡(luò)的重要實現(xiàn)形式，可以被廣泛應(yīng)用于量子密碼和量子云計算等各種應(yīng)用場景。文章圍繞上述3個方面來分別綜述量子網(wǎng)絡(luò)的研究進展及面臨的挑戰(zhàn)，然后結(jié)合量子網(wǎng)絡(luò)的實施情況對量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進行梳理。最后提出我國在本領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展建議，以期為量子網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性發(fā)展提供參考。二、量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重點方向研究進展

（一）量子密碼網(wǎng)絡(luò)量子密碼網(wǎng)絡(luò)通過傳輸量子態(tài)來實現(xiàn)各類密碼學任務(wù)，目前已部署的量子密碼網(wǎng)絡(luò)主要是基于QKD的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)安全的QKD協(xié)議為目標。QKD是一種通信雙方通過傳輸量子態(tài)來獲得一串只有通信雙方共享的密鑰協(xié)議，與一次一密結(jié)合可以實現(xiàn)完美安全的保密通信。隨著量子保密通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟，越來越多的國家和地區(qū)在基于QKD的保密通信網(wǎng)絡(luò)方面取得成果。1?.量子密碼網(wǎng)絡(luò)的研究進展早在2002年，美國建成了世界上第一個QKD網(wǎng)絡(luò)——DARPAQKD網(wǎng)絡(luò)，其具有3個連接節(jié)點，分別為美國BBN科技公司、哈佛大學和波士頓大學，傳輸距離為10km。之后，各國對QKD網(wǎng)絡(luò)的實用化進行了一系列研究。例如，2004年，歐盟委員會的第六框架計劃（FP6）項目“基于量子密碼的安全通信（SECOQC）”集成了單光子、糾纏光子和連續(xù)變量（CV）光子等多種量子密鑰收發(fā)系統(tǒng)，在西門子股份公司總部和其子公司之間建立了量子通信鏈接；2006年建立的東京量子通信和量子密碼學（UQCC）QKD測試網(wǎng)絡(luò)“日本千兆比特網(wǎng)絡(luò)2+（JGN2plus）”最遠傳輸距離達到90km；2021年，俄羅斯建立了莫斯科?圣彼得堡量子保密通信干線，全長達700km；2022年，波蘭成功在波茲南和華沙兩座城市之間搭建了一條380km長的城際QKD鏈路。我國對QKD網(wǎng)絡(luò)實用化的首次研究可追溯至2007年，中國科學技術(shù)大學研究團隊在北京市構(gòu)建和演示了一個包括4名用戶的星型拓撲量子通信網(wǎng)絡(luò)，最遠傳輸距離為42?.6km。這是國際上第一個全時全通的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，也是當時國際上公開報道的唯一無中轉(zhuǎn)、可同時、任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。2017年，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開通，京滬干線連接北京、上海，途經(jīng)濟南和合肥，全長達2000km，全線路密鑰率超過20kbps。2021年，中國科學技術(shù)大學研究團隊演示了一個基于“墨子號”的集成空對地QKD量子通信網(wǎng)絡(luò)，總距離可達4600km；同年，該團隊在511km光纖鏈路上實現(xiàn)了雙場QKD（TF-QKD），并在無可信中繼的情況下鏈接濟南和青島兩城，成為全球首個無可信中繼的長距離光纖QKD網(wǎng)絡(luò)。中國科學技術(shù)大學、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、國科量子通信網(wǎng)絡(luò)有限公司與上海交通大學等單位合作，在真實量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中實驗驗證了后量子密碼算法在QKD網(wǎng)絡(luò)認證中的可行性、效率和穩(wěn)定性，這是國際首次QKD和后量子密碼融合可用性的現(xiàn)網(wǎng)驗證。2022年，我國開通了合肥量子城域網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)由中電信量子信息科技集團承建、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司提供核心設(shè)備，具有8個核心網(wǎng)站點和159個接入網(wǎng)站點，全長1147km，可為近500家單位提供量子安全接入服務(wù)。以上量子密碼網(wǎng)絡(luò)多基于BB84等離散變量QKD協(xié)議，此類協(xié)議的實現(xiàn)較為成熟，但是其點對點實現(xiàn)存在傳輸碼率低、對硬件設(shè)備要求高等問題。為實現(xiàn)更高碼率、更大規(guī)模、距離更長的量子保密通信，學者們提出CV-QKD、測量設(shè)備無關(guān)QKD（MDI-QKD）、TF-QKD等實現(xiàn)方案。CV-QKD利用量子力學中的連續(xù)變量，如光的相位和振幅，來實現(xiàn)密鑰分發(fā)，可有效提高傳輸碼率。2009年，法國巴黎大學光學研究所團隊在SECOQC項目的支持下實現(xiàn)了第一個CV-QKD的點對點實地實驗，通過一個損耗為3dB的信道，平均安全密鑰率達8kbps。2019年，北京郵電大學和北京大學的聯(lián)合研究團隊在城域內(nèi)50km商用光纖鏈路中實現(xiàn)了CV-QKD，安全密鑰速率比之前的外場實驗提高了兩個數(shù)量級。MDI-QKD協(xié)議利用雙量子干涉選擇糾纏光子對，不依賴于第三方的測量設(shè)備的安全性，可有效提高遠距離量子密鑰分發(fā)實驗的安全性。2013年，國內(nèi)外研究團隊先后完成光纖信道的MDI-QKD協(xié)議實驗。2020年，中國科學技術(shù)大學、清華大學、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等研究團隊聯(lián)合完成了大氣層內(nèi)19?.2km的MDI-QKD實驗，為實現(xiàn)基于衛(wèi)星的MDI方案走出了關(guān)鍵的一步。2022年，一種抗環(huán)境干擾的多用戶非可信節(jié)點MDI-QKD組網(wǎng)方案被提出，能夠提高網(wǎng)絡(luò)在多用戶場景下的魯棒性和適應(yīng)性。TF-QKD將MDI-QKD協(xié)議進行改進，利用單光子干涉后的探測作為有效探測事件，每次用來成碼的有效探測所消耗的光子數(shù)比MDI-QKD更少，是近年來遠距離QKD的主流發(fā)展方向。2022年，有研究團隊實現(xiàn)了833km光纖TF-QKD，將傳輸距離的世界紀錄提升了200多千米，安全碼率提升了50~1000倍。2023年5月，多個研究團隊合作，成功實現(xiàn)了光纖1002km點對點遠距離QKD，創(chuàng)造了光纖無中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀錄。2023年6月，北京量子信息科學研究院、南京大學物理學院研究團隊合作，將異步匹配技術(shù)與響應(yīng)過濾方法引入量子通信，在傳輸距離為201km下量子密鑰率超過每秒57000bit、傳輸距離為306km下量子密鑰率超過每秒5000bit，創(chuàng)造了城際量子密鑰率的新紀錄。2?.量子密碼網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)目前世界各地已部署了多個基于QKD的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，量子密碼網(wǎng)絡(luò)正朝著更高碼率、更長距離、更大規(guī)模的商業(yè)化QKD網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。這一發(fā)展趨勢將使未來量子密碼網(wǎng)絡(luò)有望在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮作用，并滿足不同規(guī)模和安全性需求的通信要求。與此同時，相關(guān)研究也面臨如下挑戰(zhàn)。（1）量子密碼協(xié)議體系：眾所周知，網(wǎng)絡(luò)中信息系統(tǒng)的安全性通常由多種密碼技術(shù)（如密鑰協(xié)商、數(shù)字簽名、身份認證、消息認證、擲幣、比特承諾、哈希函數(shù)、加密算法等）和安全防護技術(shù)（如防火墻、病毒查殺等）來共同保障。然而，量子密碼協(xié)議研究目前處于“QKD遙遙領(lǐng)先、其他協(xié)議難以突破”的不平衡狀態(tài)。根據(jù)木桶原理，簡單地用QKD協(xié)議替換現(xiàn)有信息系統(tǒng)中的密鑰協(xié)商算法無法從根本上提高系統(tǒng)整體的安全性。為了實現(xiàn)全面提升信息系統(tǒng)安全性的目標，設(shè)計實用化的（QKD之外的）其他量子密碼協(xié)議、健全量子密碼協(xié)議體系變得勢在必行。比如能否設(shè)計出實用的量子數(shù)字簽名、量子兩方安全計算等關(guān)鍵協(xié)議，以及可與QKD相適配、結(jié)合QKD使用能夠切實提高系統(tǒng)整體安全性的經(jīng)典密碼算法和協(xié)議，將是量子密碼網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域亟需攻克的重要理論問題。（2）性能提升：盡管國內(nèi)外學者在QKD實驗方面不斷取得突破性進展，但在應(yīng)用場景下QKD系統(tǒng)仍有三個方面的性能有待提升：①傳輸速率。為了實現(xiàn)“信息論安全性”，需要使用一次一密算法來加密數(shù)據(jù)，這將消耗與所加密數(shù)據(jù)等長的密鑰。在數(shù)據(jù)量飛速提升的信息爆炸時代，提升QKD密鑰速率的需求將長期存在。②傳輸距離。QKD的傳輸距離直接影響到量子密碼網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。目前QKD的傳輸距離還很受限，通常采用“可信中繼”來實現(xiàn)遠距離的量子保密通信。由于密鑰會在中繼節(jié)點“落地”，一旦這種中繼節(jié)點被敵手控制，則密鑰的安全性將不再存在。因此，進一步提升點對點QKD的傳輸距離，減少“可信中繼”的使用勢在必行。③系統(tǒng)的實際安全性。盡管QKD協(xié)議在理論上可達到信息安全，但是實際物理器件存在諸多不完美性，這可能導致QKD系統(tǒng)出現(xiàn)安全漏洞。如何發(fā)現(xiàn)并對抗這種安全威脅，也是量子密碼網(wǎng)絡(luò)需要長期面對的問題。（3）標準化：量子密碼網(wǎng)絡(luò)存在多種QKD協(xié)議實現(xiàn)方式，這種差異可能會導致互操作性和兼容性方面的問題。制定共同的標準，可以確保不同量子密碼系統(tǒng)之間的相互通信和兼容，從而實現(xiàn)一個更加靈活和可擴展的量子網(wǎng)絡(luò)。2023年8月1日，工業(yè)和信息化部發(fā)布的3項量子保密通信相關(guān)的通信行業(yè)標準《量子保密通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)》（YD/T4301—2023）、《量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)要求第1部分：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）功能》（YD/T4302?.1—2023）、《基于IPSec協(xié)議的量子保密通信應(yīng)用設(shè)備技術(shù)規(guī)范》（YD/T4303—2023）開始實施。這些標準在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、建設(shè)、運維和管理等方面起著重要的指導作用。隨著QKD網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備的不斷改進，更新和完善相關(guān)行業(yè)標準也成為推動量子密碼網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的研究重點之一。此外，在未來量子密碼網(wǎng)絡(luò)中，除QKD，其他量子密碼技術(shù)也需制定相關(guān)行業(yè)標準，為大規(guī)模量子密碼網(wǎng)絡(luò)的安全運行提供支撐。（二）量子云計算網(wǎng)絡(luò)量子云計算網(wǎng)絡(luò)將新興的量子信息資源整合，通過云計算的方式給用戶提供計算服務(wù)，使用云端的量子設(shè)備參與完成分布式計算任務(wù)，能夠為稀缺的量子計算基礎(chǔ)設(shè)施和信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)約大量的成本。1?.量子云計算網(wǎng)絡(luò)研究進展2016年，國際商業(yè)機器公司（IBM）提出了首個免費的量子云計算服務(wù)（QExperience）。一年后，IBM的量子云平臺升級，16量子比特的芯片上線。到目前為止，IBM已經(jīng)在云端推出了20多個量子處理器，可提供從5個量子比特到最大127個量子比特的服務(wù)。國外目前的量子云計算平臺還有D-Wave公司的Leap、微軟公司的AzureQuantum、亞馬遜公司的Braket、歐洲公共量子計算平臺QuantumInspire、加拿大Xanadu光量子平臺等。我國目前以真實量子計算機為后端的量子云平臺有中國科學院?阿里巴巴量子計算實驗室的“量子計算云平臺”、本源量子計算云平臺、北京量子信息科學研究院“量子未來-Quafu（夸父）”云平臺等。其中，中國科學院?阿里巴巴量子計算實驗室的“量子計算云平臺”在2018年2月接入了11量子比特的超導量子計算服務(wù)。2021年2月，量子計算云平臺進行了系統(tǒng)切換，量子創(chuàng)新研究院聯(lián)合濟南量子技術(shù)研究院和科大國盾量子技術(shù)股份有限公司等對網(wǎng)站頁面和功能進行了重新設(shè)計，超導量子計算原型機升級至12量子比特。2023年5月31日，科大國盾量子技術(shù)股份有限公司接入“祖沖之號”同款176量子比特超導量子計算機，發(fā)布了新一代量子云平臺。本源量子計算云平臺于2020年上線，其后端為本源超導量子計算機“悟源”，搭載6量子比特超導量子處理器夸父KFC6-130，是國內(nèi)率先實現(xiàn)工程化的量子計算機原型系統(tǒng)。2023年8月15日，本源量子計算云平臺接入了搭載了12量子比特“悟空芯”超導量子芯片。2023年5月25日，北京量子信息科學研究院、中國科學院物理研究所和清華大學合作發(fā)布了新一代量子計算云平臺“量子未來-Quafu（夸父）”，其后端最高接入了136量子比特超導量子芯片。上述量子云計算平臺均以真實計算機為后臺，現(xiàn)階段，量子計算機發(fā)展正處于含噪聲中等規(guī)模量子（NISQ）時代，面臨著研發(fā)成本高、易受噪聲影響、支持的量子比特個數(shù)較少、難以脫離實驗環(huán)境等問題。受這些問題限制，學者們開發(fā)了量子云服務(wù)模擬平臺，通過模擬量子計算機的硬件和軟件行為，提供量子計算任務(wù)的運行環(huán)境。例如，Google量子計算框架Cirq平臺、Rigetti公司的Forest云平臺、BlueQubit量子開發(fā)平臺、本源量子模擬器OriginQ、阿里巴巴“太章”模擬器、華為HiQ量子云平臺、百度“量槳”量子云平臺等。其中，GoogleCirq平臺可實現(xiàn)72量子比特的量子線路模擬；阿里巴巴研發(fā)的單振幅量子線路模擬器“太章”，可成功模擬81量子比特40層的谷歌隨機量子線路。目前，量子云平臺大都是孤立的量子計算機，并沒有像真正的網(wǎng)絡(luò)一樣做到互聯(lián)互通。實現(xiàn)未來互聯(lián)互通的量子云計算網(wǎng)絡(luò)的一個重要途經(jīng)是分布式量子計算，即由多個量子服務(wù)器協(xié)同完成一個計算任務(wù)。分布式量子計算可分為基于隱形傳態(tài)和基于線路拆分的分布式量子計算兩種類型。基于隱形傳態(tài)的分布式計算面向容錯量子計算，通過隱形傳態(tài)技術(shù)實現(xiàn)芯片間的通信，需要量子信道和經(jīng)典信道。在算法設(shè)計方面，學者們已提出了分布式量子均值估計算法和分布式Shor算法等。在硬件實現(xiàn)方面，由于隱形傳態(tài)技術(shù)尚不成熟，多體系的分布式計算平臺仍在研究中。近期，有研究團隊在光學系統(tǒng)實現(xiàn)了對Deutsch-Jozsa算法和量子相位估計的遠距離分布式計算演示?；诰€路拆分的分布式計算將大規(guī)模的量子線路拆分成可在NISQ設(shè)備上運行的多個小規(guī)模的子線路，通過經(jīng)典信道實現(xiàn)芯片間通信。此類分布式計算可分為比特拆分方法和門拆分方法，分別通過切割量子比特和兩比特門實現(xiàn)對量子線路的拆分，已被應(yīng)用于變分量子特征求解器和量子近似優(yōu)化算法。2?.量子云計算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)量子云計算網(wǎng)絡(luò)為公眾提供了量子計算資源，同時也為企業(yè)和研究機構(gòu)提供了一種經(jīng)濟實惠的量子計算解決方案，降低了量子計算的成本和風險，使更多的企業(yè)和研究機構(gòu)可以利用量子計算技術(shù)來解決業(yè)務(wù)問題和科學研究問題，促進了量子計算技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。其發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)如下。一是量子算法。量子云計算網(wǎng)絡(luò)需要有效的量子算法以提高可用性。一些量子算法已被證明在理論上具有顯著加速效果，這些算法或可在未來通用量子計算機上實現(xiàn)。然而，現(xiàn)有的量子算法還很少，其中還有很大一部分算法尚不能在當前的NISQ設(shè)備上實現(xiàn)。因此，不管是為了探索量子計算的能力邊界，還是為了給量子計算找到更多應(yīng)用場景，量子算法的設(shè)計都是需要解決的重要問題。就目前來看，如何設(shè)計可在NISQ設(shè)備上運行的量子算法以及研究尋找當前NISQ設(shè)備能有效解決的實際問題對于探索當前量子云計算網(wǎng)絡(luò)的可用性具有重要作用和價值。此外，分布式量子計算對于充分利用量子云計算網(wǎng)絡(luò)的量子計算能力具有重要意義。受當前量子設(shè)備限制，其研究仍處于起步階段。如何設(shè)計分布式量子算法也是量子云計算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)之一。二是量子計算的硬件性能。量子云平臺目前存在多種量子比特的物理實現(xiàn)方案，但受限于嚴苛的物理條件，即使最先進的超導量子比特方案也只能實現(xiàn)數(shù)百個物理比特的制備和操控，且可實現(xiàn)的邏輯門保真度和深度都非常受限。到目前為止，研究者還難以實現(xiàn)對物理量子比特的糾錯，尚未得到一個邏輯量子比特，距離實用化算法所需的硬件性能尚有距離。提高量子計算硬件的各項性能是量子計算領(lǐng)域的當務(wù)之急。（三）量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要是基于EPR糾纏對的量子非局域關(guān)聯(lián)特性來實現(xiàn)量子態(tài)的遠距離、高保真度傳輸。該網(wǎng)絡(luò)的基本原理是利用量子糾纏分發(fā)、量子糾纏交換等技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中建立起一些量子糾纏信道，使得兩個遠距離的節(jié)點之間可以利用隱形傳態(tài)技術(shù)來傳輸量子態(tài)。目前對量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究仍處于實驗階段，并未實際部署。1?.量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究進展1997年，有研究團隊完成了世界上第一個獨立光子偏振態(tài)的量子隱形傳態(tài)的實驗驗證，該工作入選了《Nature》雜志“百年物理學21篇經(jīng)典論文”。隨后，相關(guān)團隊演示了終端開放的量子隱形傳態(tài)、兩光子復合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài)以及單光子多自由度的隱形傳態(tài)，基于“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，將量子隱形傳態(tài)的距離推進至千千米量級。2019年，國內(nèi)外研究團隊合作，首次成功實現(xiàn)高維量子體系的隱形傳態(tài)。近幾年，國內(nèi)外其他研究團隊在光子隱形傳態(tài)實驗中也有所突破。2020年，華東師范大學研究團隊利用前期發(fā)展的光學軌道角動量復用的連續(xù)變量糾纏源結(jié)合全光量子隱形傳態(tài)協(xié)議，在國際上首次成功構(gòu)建了多通道復用的全光量子隱形傳態(tài)協(xié)議。2021年，德國馬克斯?普朗克量子光學研究所的實驗實現(xiàn)了一個原則上是無條件的量子隱形傳態(tài)協(xié)議，只需要一個光子作為預(yù)先準備的資源，不需要預(yù)共享糾纏量子比特對。除光子隱形傳態(tài)實驗外，2006年，丹麥哥本哈根大學研究團隊首次實現(xiàn)了光與原子系綜之間的量子隱形傳態(tài)實驗，平均保真度接近60%。2012年，有團隊在首次實驗實現(xiàn)了光子與原子之間的百余千米自由空間隱形傳態(tài)。2013年，馬克斯?普朗克研究所實驗演示了兩個單原子之間的隱形傳態(tài)，實現(xiàn)了（88?.0±1?.5）%的保真度。2014年，荷蘭代爾夫特理工大學研究團隊演示了在相隔3m的金剛石自旋量子比特之間的任意量子態(tài)的無條件隱形傳態(tài)。2022年，代爾夫特理工大學研究團隊首次實現(xiàn)了金剛石氮?空位（NV）色心三節(jié)點線路中的跨節(jié)點隱形傳態(tài)，效率約為117s/次，保真度為70?.2%。2?.量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)在未來的量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，多個節(jié)點將通過量子中繼器共享糾纏，形成量子糾纏鏈路，實現(xiàn)安全的遠距離信息傳輸。為實現(xiàn)更遠距離、更大規(guī)模的量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)，目前面臨的挑戰(zhàn)如下。（1）量子態(tài)的遠距離傳輸：由于信道損耗和噪聲的影響，量子態(tài)的傳輸質(zhì)量會隨傳輸距離的增加而下降，使量子態(tài)的遠距離傳輸成為難題。為克服這一問題，學者們提出量子中繼器的思想，將遠距離量子鏈路劃分為多個較短且損耗較小的鏈路。量子中繼器的實現(xiàn)依賴于糾纏分發(fā)、糾纏交換、糾纏純化和量子存儲等技術(shù)。盡管這些技術(shù)在實驗實現(xiàn)方面已經(jīng)取得了部分進展，但仍然存在一些問題需要克服。例如，糾纏分發(fā)需要解決信道噪聲等問題；糾纏交換和量子糾錯需要高保真度的量子門等。這些問題使量子中繼器離實用化還有一段距離，限制了大規(guī)模量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。（2）量子態(tài)的高性能存儲：量子中繼方案的實現(xiàn)需要各相鄰節(jié)點間存儲大量的共享糾纏態(tài)，需要高性能的量子存儲器。當前量子存儲器已在多個量子體系中實現(xiàn)，但不同體系具有不同的優(yōu)勢和缺陷，很難同時達到滿足實際量子態(tài)傳輸?shù)母黜椧蟆＠纾诶湓拥牧孔哟鎯ζ鞒＠霉鈱W晶格以獲得較長的存儲壽命，但會使存儲效率受限；基于稀土摻雜晶體的量子存儲器具有易于擴展的優(yōu)點，但是在存儲時間和效率上還需要進一步提升。因此，深入研究不同的物理體系，尋找更優(yōu)的量子存儲器實現(xiàn)方案對于量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究至關(guān)重要。三、量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及攻關(guān)要點

根據(jù)量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和實施，將關(guān)鍵技術(shù)歸納為四個方面：鏈路建立技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)和物理硬件技術(shù)。其中，鏈路建立技術(shù)包括用于生成糾纏態(tài)的糾纏生成技術(shù)與用于在遠距離節(jié)點處建立糾纏鏈路的遠程糾纏建立技術(shù)。信息傳輸技術(shù)用于提高信息傳輸效率，包括信道復用技術(shù)和量子接口技術(shù)。其中，信道復用技術(shù)可以提高信道的利用率，量子接口技術(shù)用于實現(xiàn)不同類型量子系統(tǒng)之間的信息交換。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)用于保證網(wǎng)絡(luò)各部分的協(xié)同運作，主要包括量子網(wǎng)絡(luò)堆棧和量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兩部分。物理硬件技術(shù)包括用于存儲量子態(tài)的量子存儲器和用于擴展傳輸距離的量子中繼器。（一）量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)鏈路建立技術(shù)1?.糾纏生成技術(shù)糾纏生成是指在量子系統(tǒng)中，通過一些操作使兩個或多個量子比特之間產(chǎn)生糾纏。在量子通信中，光子糾纏態(tài)是量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵資源。產(chǎn)生糾纏光子對最為便捷的一種方法是自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）過程。SPDC描述了一個二階非線性過程，其中一個泵浦光子與一個非線性介質(zhì)相互作用，并分裂成兩個能量較小的光子。在多光子實驗中應(yīng)用最廣泛的是偏振糾纏SPDC源，包括I型匹配糾纏源、II型匹配糾纏源、三明治型糾纏源、貝爾干涉態(tài)型糾纏源等。除光子糾纏生成外，糾纏生成技術(shù)還有原子量子比特糾纏生成、超導量子比特糾纏生成等。其中，原子糾纏生成基于腔量子電動力學（QED），通過原子間相互作用來生成的糾纏態(tài)，可通過冷原子、離子阱、原子波導等體系來實現(xiàn)。超導量子比特糾纏生成基于線路QED，通過量子門操作和控制電路來實現(xiàn)。在未來量子網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建高維、大尺寸糾纏是糾纏生成技術(shù)必然的發(fā)展趨勢。目前，大多數(shù)量子糾纏生成方法都依賴于高效的糾纏光子源，這些糾纏光子源被視為量子力學中的必要工具。雖然光子糾纏在糾纏生成中廣泛利用，但是在實現(xiàn)量子光學實驗的過程中依然存在很多障礙，包括更穩(wěn)定高效的糾纏光源、單光子的存儲、量子態(tài)的測量以及多光子高緯度糾纏等。此外，為了實現(xiàn)大規(guī)模的量子信息處理技術(shù)，需將簡單靈活的量子實驗擴展至集成光學器件上，這使多光子源的集成成為當前研究的一個關(guān)鍵問題。2?.遠程糾纏建立技術(shù)遠程糾纏建立是指在兩個相距較遠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間建立共享糾纏對（即兩個節(jié)點各存有糾纏對中的1個量子比特）的過程。遠程糾纏建立主要包括糾纏分發(fā)、糾纏交換和糾纏蒸餾三個部分。其中，糾纏分發(fā)是指將生成的糾纏態(tài)中的兩個量子比特分別分發(fā)送給兩個相鄰節(jié)點。受信道損耗的影響，糾纏分發(fā)的距離相對較近。糾纏交換可以將相鄰節(jié)點間共享糾纏態(tài)轉(zhuǎn)化為非相鄰節(jié)點間的共享糾纏態(tài)。糾纏蒸餾將多個低質(zhì)量的糾纏對進行一系列操作，從而得到一個高質(zhì)量的糾纏對。

在遠程糾纏分發(fā)中，糾纏態(tài)需要通過常規(guī)信道進行傳輸。在實驗中，人們已實現(xiàn)了光、離子阱、超導、量子點和冷原子等量子比特的糾纏分發(fā)。然而，隨著距離的增加，信道中存在的噪聲、衰減和損耗等因素會導致糾纏質(zhì)量下降。因此，如何在長距離傳輸過程中有效地保持糾纏態(tài)的質(zhì)量是一個難題。此外，糾纏分發(fā)的速度對于實際應(yīng)用非常重要。然而，在目前的糾纏分發(fā)方案中，實現(xiàn)高速的糾纏分發(fā)仍然是一個挑戰(zhàn)。例如，在光子對的糾纏分發(fā)中，光子之間的相互作用和光子之間的噪聲限制了分發(fā)速度。糾纏交換通過量子測量和量子操作，可以使分別共享于A-B和B-C之間的2對糾纏態(tài)轉(zhuǎn)化為A-C之間的1對糾纏態(tài)。在糾纏交換實驗中目前已實現(xiàn)了光、原子和超導等量子比特的糾纏交換。目前糾纏交換技術(shù)存在的攻關(guān)要點主要在三個方面：測量方案優(yōu)化、量子門操作優(yōu)化、噪聲和干擾控制。通過優(yōu)化測量方案，可提高糾纏交換的成功率和效率。在這一方面，已有很多學者從不同方面提高了量子測量的準確性和速度等，如利用壓縮感知技術(shù)減少測量次數(shù)提高測量效率、通過最小化測量誤差來實現(xiàn)高效的量子測量等。量子門操作優(yōu)化的關(guān)鍵在于設(shè)計和實現(xiàn)高效的量子門操作，可加快糾纏交換速度。采用噪聲抑制技術(shù)和干擾隔離方法實現(xiàn)干擾控制，可減小對糾纏交換的負面影響。糾纏蒸餾旨在將大量糾纏度較低的共享糾纏態(tài)中“蒸餾”出少量糾纏度更高的糾纏態(tài)。根據(jù)實現(xiàn)方式的不同，糾纏蒸餾可以分為離散變量和連續(xù)變量兩種。在離散變量的糾纏蒸餾中，常用的方法是利用量子門操作和測量來提高糾纏度?；谶B續(xù)變量的糾纏蒸餾利用了連續(xù)變量之間的糾纏性質(zhì)。例如，可以通過使用光子對兩個高斯模式進行干涉來制備更強的糾纏態(tài)。目前的研究工作主要集中在如何有效地控制操作和如何克服噪聲等問題，以實現(xiàn)高保真度、高效率的糾纏蒸餾。為了解決這一問題，研究人員采用噪聲抑制技術(shù)和誤差控制方法來減少或抵消與蒸餾過程相關(guān)的噪聲和誤差。此外，糾纏蒸餾協(xié)議的設(shè)計也是需解決的關(guān)鍵問題之一，這包括選擇適當?shù)牧孔娱T操作、測量方案和反饋控制策略。（二）量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息傳輸技術(shù)1?.信道復用技術(shù)信道復用技術(shù)指量子信號與經(jīng)典信號在同一根光纖中傳輸?shù)募夹g(shù)。該技術(shù)可簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著提高信道利用率，進而降低網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。常用的經(jīng)典?量子信道復用技術(shù)有波分復用（WDM）和空分復用（SDM）兩種。WDM技術(shù)是將不同波長的光載波信號在發(fā)送端經(jīng)復用器匯合到同一根光纖中進行傳輸，在接收端再經(jīng)解復用器將各種波長的光分離。在WDM技術(shù)中，需解決的一個關(guān)鍵問題是降低噪聲干擾。目前的信道復用方案常采用波長隔離、窄帶濾波、時域濾波等各類技術(shù)手段降低噪聲干擾，形成了較遠波長隔離和同波段傳輸兩類主流方案。較遠波長隔離方案相對容易實現(xiàn)，但通信距離較短，適用于短距離高密度局域網(wǎng)的建設(shè)；而同波段傳輸方案的建設(shè)成本較高，但具備更遠的通信距離和較大的提升潛力，可作為構(gòu)建量子城域網(wǎng)的參考方案。SDM技術(shù)基于能夠支持多個空間橫向光傳播模式的光纖，為每個模式分配一個獨立的數(shù)據(jù)通道，從而增加了光纖容量。空分復用光纖主要有多芯光纖、少模光纖、少模?多芯光纖以及環(huán)形光纖。復用器和解復用器用于將不同的數(shù)據(jù)流組合和拆分到SDM光纖中的相應(yīng)空間信道中。已有研究將復用器和解復用器集成在光纖或者光子芯片上。SDM光纖的成本較低可以實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。已有許多實驗證明使用空分復用光纖實現(xiàn)空間模式的量子糾纏可以實現(xiàn)更高維度的QKD。但實現(xiàn)更高維度的數(shù)百千米的傳播距離的量子QKD仍是信道復用技術(shù)目前面臨的攻關(guān)難點之一。此外，在實際的量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，信道復用技術(shù)的應(yīng)用還應(yīng)解決諸多工程問題，如量子網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的兼容、光纖中產(chǎn)生的非線性噪聲引起的高誤碼率等。2?.量子接口技術(shù)量子接口可完成量子存儲器中靜態(tài)比特和信道中動態(tài)比特的轉(zhuǎn)換，是未來量子網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的元件。動態(tài)比特通常是光量子比特，便于傳輸和接收量子信息。靜態(tài)量子比特通常采用超導電路、離子阱、量子點等物理體系實現(xiàn)，它們易于長時間存儲。量子接口技術(shù)的核心是將不同類型的量子系統(tǒng)進行耦合和相互作用。腔QED是物理學家研究光和物質(zhì)在量子水平上相互作用的原型系統(tǒng)。1997年，研究者提出了一個基于腔QED的原子?光子接口，由耦合在兩能級原子上的高質(zhì)量光腔構(gòu)成。之后，對基于腔QED的原子?光子接口的研究不斷發(fā)展。目前已有的用于原子?光子接口的常用介質(zhì)有室溫氣體、冷原子、固態(tài)、原子晶格、離子阱等。腔QED也被擴展到其他情形，如量子點耦合到微柱和光子帶隙腔、庫伯對與超導共振器的相互作用（即線路QED）?；谶@些相互作用可實現(xiàn)量子點?光接口和微波光子?光接口。量子網(wǎng)絡(luò)中量子接口包括3個攻關(guān)要點：波長轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換效率和集成。其中，波長轉(zhuǎn)換是在量子網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)不同體系量子節(jié)點互聯(lián)的必要技術(shù)，需要解決不同節(jié)點之間的工作波長和帶寬的差異。轉(zhuǎn)換速度的影響因素主要包括光學器件效率和不同量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換和匹配。不同量子態(tài)間轉(zhuǎn)換和匹配需要電光調(diào)制器（EOM）。為實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，通常使用具有GHz帶寬的光纖EOM。為了進一步提升速度，一些研究者采用全光開關(guān)的方式，利用光來代替電實現(xiàn)THz級帶寬。但這兩種方式都依賴于光纖的非線性特性，并需要將光從自由空間耦合到光纖中，這必然會導致較高的信號損耗。量子接口集成將不同類型的量子系統(tǒng)連接在一起，需要解決量子系統(tǒng)之間的耦合、噪聲和退相干等問題。2018年，我國研究團隊首次實現(xiàn)了25個量子接口之間的量子糾纏，而此前記錄是加州理工學院研究組保持的4個。（三）量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)1?.量子網(wǎng)絡(luò)堆棧與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)類似，量子網(wǎng)絡(luò)堆棧是從量子網(wǎng)絡(luò)底層物理實現(xiàn)中抽象出來的分層模型，每層通過特定的量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供一些通信功能。通過設(shè)計量子網(wǎng)絡(luò)堆棧，可以進一步完善量子網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，并為量子網(wǎng)絡(luò)的建立制定標準。目前學者們提出了基于鏈式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、集群的主從式量子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和針對圖態(tài)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧。量子網(wǎng)絡(luò)堆棧的不同層負責不同的網(wǎng)絡(luò)功能，共同實現(xiàn)信息傳輸任務(wù)。建立量子網(wǎng)絡(luò)堆棧需要面對一個基本問題，即量子網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的交互。在量子網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間會存在兩種連接方式：物理連接和虛擬連接。這兩種連接方式都需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的緊密合作和協(xié)調(diào)，這涉及到經(jīng)典信號的傳遞。因此，量子互聯(lián)網(wǎng)不太可能在功能上獨立于經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)。同時由于物理連接和虛擬連接的存在，在量子網(wǎng)絡(luò)堆棧會出現(xiàn)跨層交互?？鐚咏换セ蚩赏ㄟ^定義經(jīng)典?量子接口實現(xiàn)，利用現(xiàn)有的經(jīng)典功能通過經(jīng)典控制信號來實現(xiàn)經(jīng)典?量子交叉層。此外，在評估量子網(wǎng)絡(luò)堆棧中的各層性能時，需確定最能表征堆棧每一層性能的參數(shù)。當涉及到糾纏時，經(jīng)典通信和量子通信之間存在嚴格的相互作用，如生成和糾纏資源時，其生成速率在性能評估中起著關(guān)鍵作用，同時所需的經(jīng)典控制命令受到經(jīng)典比特吞吐量的限制，因此在確定參數(shù)時應(yīng)根據(jù)堆棧功能同時考慮量子度量與經(jīng)典度量。2?.量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行各個階段的功能，是保證網(wǎng)絡(luò)正常運行和數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠的基礎(chǔ)。目前對量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究集中于網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，包括糾纏路由協(xié)議與密鑰路由協(xié)議。糾纏路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上選擇一條建立遠程糾纏的最優(yōu)路徑，常用度量標準有糾纏生成時間、糾纏保真度、端到端糾纏率、糾纏生成率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等。密鑰路由協(xié)議通過選擇合適的路徑來實現(xiàn)QKD網(wǎng)絡(luò)量子節(jié)點的負載均衡，對其研究多通過改進經(jīng)典路由協(xié)議以適應(yīng)QKD網(wǎng)絡(luò)。例如，DARPAQKD網(wǎng)絡(luò)使用開放最短路徑優(yōu)先（OSPF）協(xié)議作為密鑰路由協(xié)議，歐洲SECOQC網(wǎng)絡(luò)使用升級版的OSPF-v2協(xié)議等。也有學者針對QKD網(wǎng)絡(luò)特性，以傳輸跳數(shù)、剩余密鑰量等為路由度量標準來設(shè)計密鑰路由協(xié)議。除網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議之外，還有圖態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議、量子數(shù)據(jù)平面協(xié)議等。這些協(xié)議與特定量子網(wǎng)絡(luò)堆棧相關(guān)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堆棧定義的具體功能。如圖態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議位于Pirker等人提出的量子網(wǎng)絡(luò)堆棧的鏈路層，用于在網(wǎng)絡(luò)運行時分發(fā)量子態(tài)和生成目標圖態(tài)。與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比，量子網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議更為復雜。如何綜合考慮各種因素，構(gòu)造合適的路由度量標準是設(shè)計量子網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的難點之一。針對糾纏路由協(xié)議，其路由度量不僅必須根據(jù)路徑長度、成本和吞吐量計算路徑，而且還必須考慮所需的端到端保真度。此外，更高保真度的糾纏鏈路需要更多的時間來產(chǎn)生，這在確定路由度量標準時也必須考慮到。對于密鑰路由協(xié)議，還需考慮剩余密鑰數(shù)量、密鑰生成速率、路由安全性等因素。量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計也需要考慮退相干的影響，滿足量子網(wǎng)絡(luò)的高同步與低時延要求。此外，目前量子網(wǎng)絡(luò)的研究基于單一硬件平臺的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。然而，未來的量子網(wǎng)絡(luò)將不可避免地包括各種各樣的物理平臺，導致量子節(jié)點和鏈路的退相干和量子態(tài)保真度等參數(shù)存在差異，需要做更多的工作來了解混合量子網(wǎng)絡(luò)中量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能。（四）量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)物理硬件技術(shù)1?.量子存儲器量子存儲器是一種能夠按照需要進行存儲和讀出量子態(tài)的物理設(shè)備，在量子網(wǎng)絡(luò)中扮演著非常重要的角色。量子存儲器的研究目標是要達到長存儲時間、高保真度、高存取效率、大存儲帶寬、多模容量以及可以按需讀出的實用化標準。目前，量子存儲器已經(jīng)在多個體系中實現(xiàn)，包括原子體系、固態(tài)體系、單量子系統(tǒng)等。所采用的量子存儲協(xié)議包括電磁誘導透明協(xié)議、原子頻率梳協(xié)議、光子回波協(xié)議等。近年來，量子存儲器在各項性能指標上均有所突破，例如，基于冷原子的存儲器的存儲效率最高可達到90?.6%；基于稀土摻雜晶體的量子存儲器的存儲時間已超1h，存儲模式最高可達1650。但是，仍然沒有物理體系能夠同時達到可實用化的各項標準，提升量子存儲的綜合性能還需要做大量的探索研究。2?.量子中繼器量子中繼器是量子網(wǎng)絡(luò)中的核心部件，集成了量子存儲、糾纏生成和建立、量子接口等技術(shù)，通過分段糾纏分發(fā)與糾纏交換來拓展通信距離。目前，量子中繼器的研究主要有兩類趨勢：提出新的中繼方案，進一步降低其技術(shù)要求