量子信息是一项跨时代的进展，不仅将重塑人们对计算和通信本质的看法，还将为实现高性能计算机体系结构，以及开辟电信网络全新的可能性。

量子互联网背景与概念

当商业量子计算机完全可用时，在传统互联网中，用户们的数据将不再安全，因此在量子信息的背景下，人们将需要一个根本不同的网络结构，其中量子计算优势的概念非常重要。

量子计算优势指的是量子计算机可以解决的任务和问题，这些任务和问题普遍超出了经典计算机的能力，量子互联网的量子优势形成了量子互联网的特性和属性，这些特性和属性是传统互联网无法提供的。

虽然“霸权”是一个用于描述计算复杂性理论的概念，而不是一个特定的设备，比如量子计算机，但结合实际，可以说量子互联网具有一定霸权，这里的霸权是指那些超越传统互联网能力的高级网络属性，以及属性的集合。

量子互联网使用量子力学的基本概念进行联网。量子互联网的主要属性是先进的量子现象和协议，如量子叠加和量子纠缠、量子隐形传态和先进的量子编码方法、无条件的安全性即量子密码学，以及纠缠的网络结构。

与传统中继器相比，量子中继器不能应用接收-复制-重发机制，因为所谓的“不可克隆定理”(non -cloning theorem)指出，现有技术不可能对量子系统进行完美的复制。

经典信息和量子信息这种本质上的根本区别，不仅导致了它们具有根本不同的网络机制，量子信息还需要在量子互联网场景中定义新的网络服务。

量子中继器单元中，量子存储器是全球规模的量子互联网的基本组成部分。与量子存储单元相关的一个挑战是，量子存储器在存储量子系统时会增加的噪声。

虽然量子中继器可以在不需要量子存储器的情况下实现，但实际上，这些存储器单元是保证任何高性能量子网络场景中，量子中继器发挥最佳性能所必需的。

在量子互联网设置中，一个主要任务是通过量子中继器的中间量子节点，将量子纠缠从量子源节点分发到量子目标节点。纠缠分布存在于量子节点之间，利用节点，产生短距离的纠缠连接，逐步实现最后的分布。

纠缠连接表征的是节点上即将发生的纠缠状态，而不是它们之间的物理链路。接下来，量子中继器会增加纠缠连接的纠缠水平，以产生更长距离的纠缠连接。纠缠连接的纠缠程度决定了，在给定纠缠连接的情况下，源节点与目标节点之间的跳距，也就是纠缠连接跨越的量子节点数。

增量级别是在中间量子中继器中，应用的所谓纠缠净化和交换过程来实现的，这里的纠缠净化和交换也可以被视作一种纠缠改善和拓展。

之后是量子态的实现。在物理层，量子态可以通过几种不同的技术来实现。在最近的研究中，相关技术还实现了量子比特系统。

量子互联网的量子纠缠

量子纠缠可以通过几种不同的概率物理程序产生。

第一个概念是纠缠分布。如图2所示。纠缠分布需要使用量子通道，这可以通过光纤或无线光通道实现。

量子相关纠缠态的直接传输需要高保真量子通道，

而经典相关可分离态的直接传输可以在有噪声的量子通道实现，这是由于量子和经典相关的基本特征支持技术不同。

量子通信网络可以分为两大类:非纠缠和纠缠。在非纠缠量子网络中，量子节点之间的连接是通过非纠缠量子态形成的。在纠缠量子网络中，量子节点之间的连接是通过纠缠态形成的。

纠缠态存储在量子节点的内部量子存储器中，使得纠缠连接跨越几个跃点，并且建立很长的距离。

这两种类型的量子网络模型的特征和目标是根本不同的。虽然非纠缠量子网络的主要目的是以逐点方式，或节点之间的随机数生成的方式，在节点之间实现标准非纠缠QKD协议，但纠缠量子网络的主要任务是在长距离上分配量子纠缠。

非纠缠和纠缠量子网络的服务可以用来补充传统网络的任务，因为量子网络能通过QKD，确保更强的加密和安全服务，如互联网协议安全(IPSec)或传输层安全(TLS)，同时还能减少对公钥方法和单向函数的依赖，减少加密方法、身份验证和隐私服务的计算复杂性。

然而，由于点对点、基于QKD的量子通信，非纠缠量子网络只能在短距离上为传统网络提供这些补充服务，而纠缠量子网络的结构能够构建一个更复杂的网络，称为量子互联网。

在量子互联网中，核心是纠缠量子网络，其主要目的是以量子计算机合法用户为对象，建立可靠、安全的远程量子通信的通用网络结构。因此，量子纠缠和量子中继器是量子互联网概念的基础。

在纠缠分配过程(EDP)中，量子中继器位于发送节点(Alice)和接收节点(Bob)之间，作为二者的中间量子节点发射器。量子纠缠使通信距离可以通过EDP扩展到很长的跨度，这里的长度理论上是无限的。

纠缠量子网络的纠缠连接跨越多个节点，也就是说，这些纠缠连接是多跳连接。节点基于多种物理链路，通过EDP创建了纠缠连接。

给定的物理链路，如光纤或无线光链路等，在分配过程中只能暂时起作用，因为物理链路只能在短距离上产生纠缠。因此，EDP是通过许多物理链路，以及许多短距离纠缠态逐步实现的。

EDP的末端是端到端的纠缠状态，它跨越发送方和接收方之间的中间节点和物理链路。一般来说，缠结分布主要是指短链路的缠结分布过程。实现这一点的重要协议是中间相遇，或着发送方-接收方协议。

由于量子节点之间主要需要逐点的量子密钥分配，所以在无纠缠量子网络中，可实现的通信距离受到限制。然而，还有其他几种方法，使得非纠缠网络也可以用于传输量子信息。

为了克服传输距离短的限制，可以将量子比特编码为量子纠错码，并在短距离后放置中间译码站。这些工作站只是对接收到的逻辑量子位进行解码，从而获得在传输过程中发生错误的错误综合症。利用误差综合症，工作站有望纠正错误，并将量子比特再次编码为量子纠错码。

在纠缠量子网络中，纠缠分配过程消除了对逐点量子通信的要求，将其扩展为多跳量子通信。

纠缠量子网络允许用户使用所有的量子协议，如QKD和其他类似于无纠缠网络的量子加密原语，但纠缠量子网络额外利用了改进的网络结构，具有更高的传输可靠性和速率，以及更长的可实现通信距离。

由于具有长距离、端到端的纠缠态，纠缠量子网络可以用作量子局域网(QLAN)、量子城域网(QMAN)、量子广域网(QWAN)或全球量子互联网网络。

在纠缠量子网络结构中，使用贝尔对形式的二部纠缠，也是是连接量子网络设备的一种方法。

贝尔对能够合成任何任意状态，开发者及用户可以合并它们，也可以在本地准备状态，然后通过网络传送量子比特。但是，要以这种方式生成任意状态，必须向网络中投入大量资源。

纠缠量子网络的另一种变体是所谓的多部量子网络。在这些纠缠网络结构中，网络器件采用多部纠缠量子态、12簇态或多部纠缠量子态进行连接。

这样的方法能为纠缠量子网络提供非常重要的功能。但是如果网络客户端想要共享图状态或其他多方纠缠状态，那么网络设备或客户端最终必须应用更少的合并操作。

如果网络能够用于有噪声的设备，那么这将是一个很大的优势，因为每个合并操作在设备执行时，总是将噪声引入最终状态，例如，控制相位门，控制非门和测量。

因此，使用多方状态的量子网络在客户端之间产生多方纠缠状态，在现实场景中为量子系统引入了更少的噪声。

对于给定纠缠连接的源节点与目标节点，纠缠连接的纠缠程度决定了它们之间的跳距。实现增量级别需要通过所谓的纠缠交换，也就是纠缠扩展程序应用于中间量子中继器。

具体来说，实际的纠缠分布是在加倍架构的框架内实现的，其中纠缠级别的每次增加都会使跳距离加倍。在纠缠分配过程结束时，远源节点和目标节点共享一个远距离纠缠连接。

但是，并非所有的量子中继器方案都依赖于增量的概念。特别是，只有早期的具有贝尔对的量子中继器，它们的执行方案才需要贝尔对的净化和交换嵌套。在使用哈希纠缠净化的新型中继器中，执行方案根本不需要嵌套，因此不需要嵌套交换和净化。

除了使用倍增架构外，第三代量子中继器还可以实现高纠缠态，并且可以使用远距离传播量子信息，因此，它们可以用来分配纠缠。

量子互联网架构

量子互联网的主要应用领域包括分布式计算、量子秘密共享、盲量子计算、客户端-服务器量子通信、系统区域网络、分布式密码功能，比如拜占庭协议、领导者选举、QKD等，以及传感器技术领域，如干涉测量、时钟、参考帧等。

图4描述了量子互联网的一般架构。

该架构模型由一组具有量子和经典设备的合法用户，以及一组具有不同纠缠级纠缠连接的中间量子中继器组成。量子互联网将地对地量子中继器，自由空间光通道之间的光纤，以及无线光通道等诸多元素集结，这使它能用于地对星通信。

量子计算机和量子设备通过量子通道与量子互联网的抽象云进行通信，而经典设备使用安全的量子协议访问量子互联网，如QKD。除此之外，经典设备之间的通信通道量子协议采用N经典信道，量子协议则采用量子信道接入量子互联网。

在一般的量子互联网架构中，云量子节点之间的纠缠层遵循加倍架构的结构。比如对于源量子节点a和接收量子节点B，它们会通过加倍架构构建l = 4级纠缠。

如图5所示，量子节点通过l级纠缠连接连接，其中l = 1表示直接连接，l > 1表示多级连接。当l = 2时，连接节点之间的跳距离为dl = 2，当l = 3时，连接节点之间的跳距离为dl = 4。

量子互联网与经典互联网之间具有互操作性。在短期内，量子互联网将与经典互联网并行运行。量子互联网在经典互联网的基础上增加了一些扩展和额外的功能，例如使用量子安全密钥在经典设备之间进行安全通信。

在互操作模型中，经典互联网的设备既可以访问量子安全协议如QKD等，也可以访问经典互联网。使用量子协议，量子密钥可以通过量子互联网路径共享，这可以用于经典的、加密的、安全的通信经典的互联网。

在这种方法中，经典设备可以使用不同的经典协议，或者使用量子密钥通过经典互联网进行加密通信，例如IPSec，它通过IPSec网关和IPSec隧道运行，是量子密钥保护的经典互联网路径，或通过Diffie-Hellman密钥交换协议、AES或TLS。

图6给出了经典互联网和量子互联网经典设备的互操作性模型。

用简单的话说，量子互联网可以在远程量子安全设备之间共享量子密钥，而经典互联网可以在经典设备之间使用量子密钥进行加密的经典通信。

但量子互联网目前来说还有较大的技术壁垒，所以在应用广度方面还有不足，这需要研究人员联合学界与商界一起进行持续的优化改进。