近期，紫金山实验室携手江苏省未来网络创新研究院等机构，共同发布了一份深度探讨量子互联网发展的白皮书。这份报告全面审视了量子互联网的技术基石、架构设计、关键技术突破以及算网协同的新方向，为量子互联网从理论探索迈向工程实践提供了宝贵的参考。
量子信息技术的基础构建于量子力学的独特原理之上。量子态，如叠加态和纠缠态，展现出与经典物理截然不同的特性。叠加态意味着粒子能同时处于多种状态，而纠缠态则描述了两个或多个粒子之间的非局域关联。这些特性通过量子逻辑门和量子测量得以操控和观测，为量子通信和计算提供了理论基础。薛定谔方程描述了量子态随时间的演化，是量子计算和通信的核心支撑。
量子技术的应用前景广阔。量子通信方面，量子密钥分发确保了信息传输的物理层安全，量子隐形传态实现了未知量子态的远程传输，而量子安全直接通信则无需密钥即可直接传输信息。量子计算利用叠加态实现并行计算，尽管目前仍处于含噪音中等尺度量子阶段，但已展现出在特定算法上的巨大潜力，如Shor算法用于大数分解和Grover算法用于量子搜索。量子精密测量技术通过突破标准量子极限，提升了测量精度，为全球量子时钟网络和长基线望远镜等应用带来了革新。
在实验系统方面，不同量子比特载体各具特色。线性光学系统以光子为载体，适合量子通信；原子系统因其长相干时间而备受青睐；固态自旋系统如氮-空穴金刚石色心，在存储和操控方面展现出优势；超导量子比特则以其快速门操作著称，但需极低温环境运行；腔系统通过增强光与原子的耦合，作为数据总线在量子信息处理中发挥作用。
量子互联网的架构与关键技术同样引人注目。量子互联网旨在连接量子节点，实现量子通信和计算等经典互联网无法实现的应用。当前，量子互联网仍处于初期阶段，硬件和软件均不成熟。美国DARPA、欧洲SECOQC以及中国的量子城域网和“墨子号”天地网等项目，均以可信中继为主，逐步推动量子互联网的发展。量子中继技术作为解决远距离量子信号衰减的关键，经历了从预报式纠缠分发到全量子纠错码的不同阶段。
量子互联网协议栈的设计借鉴了经典互联网架构，但功能有所不同。不同研究团队提出了差异化的协议栈方案，以适应量子通信的特性。量子分组交换技术则突破了经典分组交换的思路，通过经典-量子混合帧或经典帧辅助混合方案，实现了量子信号的分组交换和端到端纠缠分发。
针对初期量子设备少、资源有限的现状，白皮书提出了集中式调控方案。该方案基于全网集中式调控模式，通过中央控制器下发规则，主体网络负责端到端分发，有效利用了有限的量子资源。
量子应用协议方面，白皮书以量子密钥分发和分布式量子计算为例，展示了端到端流程。量子密钥分发通过中央控制器选择路径，相邻节点构建逻辑纠缠信道，实现端到端纠缠，最终生成安全密钥。分布式量子计算则通过量子互联网实现非局域CNOT门，将分散的量子处理器连接成大系统，突破了单芯片比特数的限制。
量子算网协同作为未来发展的重要方向，白皮书探讨了量子云计算、量子-超算融合以及分布式量子计算等趋势。这些趋势要求精细的资源抽象建模、业务建模以及调度框架设计，以适应量子应用对保真度、相干时间以及资源分配的高要求。
总体而言，这份白皮书不仅梳理了量子互联网的技术脉络和发展现状，还为未来的技术突破和应用拓展提供了清晰的路径。随着量子技术的不断进步和量子互联网的逐步成熟，我们有理由相信，量子通信和计算将开启一个全新的信息时代。
