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专题丨量子信息网络关键技术与核心组件

信息通信技术与政策

2023-08-15

导读：姚飞，赖俊森，李芳，赵文玉

作者简介

姚飞

中国信息通信研究院技术与标准研究所光网络技术与应用研究部工程师，博士，主要从事量子信息领域技术、政策、标准等方面的研究工作。

赖俊森

中国信息通信研究院技术与标准研究所光网络技术与应用研究部主任工程师，高级工程师，博士，主要从事量子信息相关新技术、标准制定及测试验证等方面的研究工作。

李芳

中国信息通信研究院技术与标准研究所光网络技术与应用研究部主任，正高级工程师，主要从事5G承载、分组传送、云网融合等方面的技术与标准研究工作。

赵文玉

中国信息通信研究院技术与标准研究所副所长，正高级工程师，博士，主要从事超高速光通信、光模块器件、量子信息等相关新技术、标准制定及测试验证等方面的研究工作。

论文引用格式：

姚飞, 赖俊森, 李芳, 等. 量子信息网络关键技术与核心组件[J]. 信息通信技术与政策, 2023, 49(7): 60-67.

量子信息网络关键技术与核心组件

姚飞赖俊森李芳赵文玉

（中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）

摘要：量子信息网络旨在连接多个量子处理器节点，提供量子计算机和量子传感器等量子信息系统之间的互联组网能力，是未来量子信息技术发展演进和融合的重要方向之一。对量子信息网络的关键技术原理、核心使能组件以及未来技术发展关注点进行综述，为相关领域的研究与应用探索提供参考。

关键词：量子信息网络；量子中继；量子器件

0 引言

量子信息网络是利用量子力学原理实现信息传输和处理的一种新型网络，具有高效、安全、可扩展等优点,是未来信息社会的重要基础设施。量子信息网络的实现依赖于多种使能技术，如量子纠缠、量子中继、量子存储、量子态转换等，以及各种关键器件，如量子光源、单光子探测器、量子存储器、量子转换器等^[1]。本文对量子信息网络的关键技术及核心组件进行了综述，并根据现阶段技术发展现状分析探讨了量子信息网络技术及组件未来发展的关注点。

1 量子信息网络关键技术

量子信息网络是一种基于量子力学原理的信息传输和组网系统，通过利用量子纠缠特性，实现远距离的信息传输。量子信息网络不同于经典网络可以独立存在，量子网络需要结合并依赖经典网络来实现组件的互联及经典控制，故量子信息网络实际上是量子网络和经典网络的混合体。量子信息网络基于量子隐形传态协议进行构建，信息的发送方和接收方通过纠缠光子对的制备分发建立量子通信信道，通过贝尔态（Bell States）测量和经典通信信道，发送方可以测量包含未知量子态信息的光子并将测量结果告知接收方，接收方根据结果对纠缠光子进行相应的操作，从而获得发送方光子的量子态信息，完成量子通信过程。量子信息网络节点之间可通过纠缠光子进行量子态信息传输，量子存储、量子中继、量子态转换是实现量子信息网络的关键使能技术。

1.1 量子存储

量子存储一般可通过光与物质的相互作用、物质内部状态自行干涉或是相位关系的演化和恢复等来实现。能够实现量子存储的研究对象一般需要有较为理想的分立能级结构，目前在国际上得到广泛研究的量子存储系统有单原子、原子系综、稀土离子、离子阱、固态缺陷体系等^[2]。同时，亦有多种量子存储协议方案受到关注，包括电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）、原子频率梳、光子回波、 Duan-Lukin-Cirac-Zoller（DLCZ）存储方案、拉曼存储等。其中，基于三能级原子的EIT是较为常见的量子存储协议，其原理如下。

EIT是一种利用驱动场非线性效应实现量子存储的方案^[3]。EIT利用具有三能级的原子系综，通过调节控制光场和弱信号场来传递量子信息。图1是型三能级原子能级示意图，分别为三能级原子的基态、激发态和亚稳态，分别是弱信号场（也称探测光场）以及控制光场的频率大小。弱信号场携带想要存储的量子信息，控制光场通过激发态与基态耦合来控制原子系统。当控制光场频率与亚稳态和激发态之间的能级差发生共振时，信号场与其中两个共振能级发生相互作用，所携带的量子信息被转化到原子的一个特定的叠加态中。由于这个叠加态几乎与光场解耦，因此被称作暗态，它是保证量子信息长时间储存的关键。暗态是原子系综与信号光场的纠缠态，且暗态中不含原子的激发态，故不存在自发辐射跃迁现象。暗态提供了一种很好的将光场的量子态转移至原子系综的方法，通过绝热改变的比值，可以将光场携带的量子信息完全转移至原子系综态的信息中。

图1 型三能级原子能级示意图

在具体操作时，可在打开控制光场的情况下，将信号光脉冲馈送到EIT腔中，然后关闭控制光场，让空间压缩的光脉冲在EIT腔内传播，从而将脉冲携带的量子信息存储为原子基态的集体激发，实现光量子存储。当需要提取量子信息时，再次打开控制光场，信号脉冲离开EIT腔体。

量子存储是实现量子信息网络的关键技术之一，基于超导、量子点和核自旋等存储器已取得了重要进展。然而，存储时间、读写操作和可扩展性仍面临挑战，未来将继续改进存储器性能、探索新架构，以期获得功能更强大的量子存储器件。

1.2 量子中继

在量子网络中，光子在传输过程中的损耗会导致通信距离的指数级下降。由于不可克隆原理，光量子比特中携带的信息不能被复制或放大，故经典中继器不适用于量子通信。1998年，Jurgen Briegel提出了量子中继器（Quantum Repeater）模型^[4]，以克服长距离量子比特传输的障碍，即通过将量子中继节点部署在端节点的中间，从而将量子网络分段，进而使得直接传输的距离缩短到可接受的范围内。

用于产生长距离纠缠的量子中继器方案首先将网络分成若干段^[5-6]，并在这些节点上放置中继器，然后在相邻节点之间生成多个纠缠对，并对这些纠缠对进行纠缠纯化，之后执行纠缠交换，以创建一个比原来链接两倍长的链接。然后，对这些新链接进行纠缠纯化，并再次执行纠缠交换，以创建一个四倍长的链接。一直持续这个过程，直到在末端的中继节点之间生成纠缠。

量子中继协议需要经过三个主要操作步骤来创建可用于量子通信任务的长程Bell态，三个操作过程具体如下。

（1）纠缠分发（Entanglement Distribution）：在网络节点之间创建纠缠的过程。

（2）纠缠纯化（Entanglement Purification）：又称纠缠蒸馏，从多个弱纠缠态中产生一些强纠缠态的过程。

（3）纠缠交换（Entanglement Swapping）：在中继节点间进行纠缠交换，使端节点的量子位瞬间纠缠。

由上述量子中继的操作过程可知，量子中继协议的一个基本要求是必须能够存储所创建的基本纠缠，直到在相邻链接中也建立纠缠，以便能够执行所需的纠缠交换操作。由此产生的更高级别的纠缠也需要存储，直到建立相邻的更高级别链接，依此类推。因此，每个中继节点都需要量子存储器。目前，出现了无量子存储的中继协议，即采用光学模式上的量子纠错（Quantum Error Correction，QEC）取代传统的原子或固态量子存储器，这就是全光子量子中继^[7]，是目前量子中继的一个热点研究方向。

量子中继是实现远距离量子通信和量子信息网络的关键技术，其发展面临的主要挑战包括多节点间纠缠建立、纠缠纯化、交换效率的提升等，未来将重点提高中继传输距离和纠缠交换保真度等，以构建更复杂的量子中继网络。

1.3 量子态转换

量子态转换是实现量子信息网络互联的关键步骤，它实现不同类型量子资源之间的互操作性和互联性，促进节点间的信息传输和共享。

量子态转换的技术原理多样，取决于所使用的量子系统和应用需求。常见的技术包括：利用光子-原子相互作用，通过操纵光的频率、相位等参数实现光子-原子量子态转换；通过调控自旋系统（如电子自旋、核自旋等）与光子之间的相互作用，实现量子态转换；利用量子门操作在量子比特之间实现特定的相互作用进行量子态转换等。

量子态转换是实现高效、可扩展量子网络的基础，对于构建可扩展的量子网络和实现灵活的网络拓扑具有重要意义，是未来量子技术实际应用发展的重要基础。目前，量子态转换技术已经取得了部分阶段性进展，成功实现了光子-原子、超导量子比特或固态材料之间的相互转换。但仍面临诸多挑战，包括提高量子态转换效率、保真度、可靠性等方面的问题。未来，应注重优化转换器的结构和材料，提高资源利用率和噪声抑制能力等。

2 量子信息网络核心组件

量子信息网络由量子信道将多个量子网络节点相连构成网络，实现信息互通^[8-9]。目前，量子信道主要有两种：一种是用于传输微波或光波的自由空间通道；另一种是基于光纤通信波段的光纤通道。量子网络节点根据功能实现不同，大致分为以下三类^[8]（见表1）。

表1 量子信息网络节点分类

2.1 量子光源

量子光源是量子技术中的关键组件，为量子通信、量子计算和量子传感等的技术应用提供基础资源。常见的量子光源有单光子源^[10]和纠缠光子源^[11]。单光子源是一种理想的信息载体，它可以实现高效率和高安全性的量子密钥分发、量子隐形传态等，其主要性能指标包括单光子纯度、亮度、单色性和稳定性等^[10]。目前，常用的单光子源制备方法有激光衰减、原子辐射跃迁、半导体量子点等。2000年，基于量子点系统材料的单光子源被首次用于试验中；2016年，潘建伟团队制备的量子点光子源的光子出射效率达66%，单光子纯度达99.1%，光子不可分辨性达98.5%^[10]；2022年6月，量子点光子源取得新的突破，瑞士巴塞尔大学与德国波鸿鲁尔大学合作，在砷化镓（GaAs）平台上用不同的量子点产生了全同的光子。

纠缠光源的制备方法主要有三种，分别是基于非线性晶体的自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion，SPDC）、基于硅基材料等的自发四波混频（Four-Wave Mixing，FWM）、基于量子点（Quantum Dot）等半导体材料进行纠缠源制备源^[11]。SPDC光源在亮度及可靠性等方面的优势，使其成为目前制备多光子纠缠光源的常用办法。SPDC效应在多光子纠缠源中的应用是通过采用两个偏硼酸钡（Barium Metaborate，BBO）晶体和一块半波片的复合结构来实现多光子纠缠。1995年，BBO晶体首次被用于纠缠光源试验，产生了高对比度的光子对；此后，多个光子的纠缠也逐渐在试验中实现。2018年6月，潘建伟团队利用6个光子的3个不同自由度成功实现18量子比特纠缠^[11-12]。2022年8月，马克斯·普朗克量子光学研究所利用铷原子成功实现14个光子的有效纠缠^[13]，打破此前12个光子纠缠的世界纪录。

目前，基于半导体量子点和非线性晶体等各种类型的量子光源已在实验室中取得了阶段性进展，成功产生了高质量的单光子和纠缠光子对。量子光源在高速、高效率的单光子发射方面仍有不足，限制了其在实际应用中的可扩展性等性能。然而，量子光源在提高单光子发射率、提升光子质量和纯度，以及实现集成和稳定性方面仍存在挑战。未来，将聚焦于新材料、新器件的研发，提高光源调控技术水平，以满足量子技术的应用需求。

2.2 单光子探测器

单光子探测器（Single Photon Detector，SPD）可对单光子响应，将光信号转换成电信号，完成对量子态的探测^[14]，目前较为常用的单光子探测器主要有单光子雪崩光电二极管（Single-Photon Avalanche Diode，SPAD）及超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD）。

SPAD是在盖革模式下的硅基雪崩探测器，主要用于可见光的探测，此探测元件因探测效率低、暗计数率高、恢复时间长而逐渐成为一些光量子试验的掣肘因素。SNSPD因其对可见光和近红外光波段的光子较为敏感而被广泛应用于光学平台的探测。SNSPD工作原理为：将光子的能量转化为电压脉冲信号进行测量,从而达到探测光子信号的目的。2001年，基于氮化铌薄膜SNSPD首次被俄罗斯Goltsman团队验证。之后，科研工作者们均对SNSPD展开了积极研究。2006年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）将SNSPD应用于量子密钥分发。2020年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所、美国NIST、荷兰代尔夫特理工大学三个团队先后报道了系统探测效率超过98%的SNSPD。2022年8月，由赋同量子科技有限公司尤立星研究员牵头制定的全球首个超导单光子探测器的国际标准经国际电工委员会批准正式发布，这是我国在超导电子学领域牵头制定的首个国际标准。

SNSPD作为新兴单光子探测器，具有死时间短、暗计数低等优点。但也存在不足：首先，单光子探测器的使用必须搭载低温冷却装置，给器件平台的集成化带来了挑战；其次，SNSPD对可见光及红外波段外的光子响应能力较差，尚需进一步扩展光子响应波段。近年来，关于改善SNSPD性能的研究成果不断涌现。2023年4月，吴培亨^[15]团队研制出国际上首个高时间精度超导纳米线X射线单光子探测器，实现时间精度为20.1 ps的X射线单光子探测。

2.3 量子存储器

量子存储器（Quantum Memory）作为一种用于存储和读取量子态的器件，它可以将光的量子态存储到物质当中，然后根据应用需求以光的形式将量子态读取出来^[16-17]。量子存储器被认为是一种全方位的量子器件，可用于量子计算、量子通信、量子精密测量等多个领域。由于来自不同纠缠源的光子不总是同时到达中继站，因此可以使用量子存储器作为同步工具，通过存储先到达的量子比特并等待后到达的量子比特，实现有效的纠缠交换。

根据实现介质的不同可将量子存储器分为固态量子存储器、光量子存储器、原子气体量子存储器三大类（见表2）^[16]。

表2 量子存储器分类及实现方案

衡量量子存储器性能的主要指标有存储保真度、存储时间、存储效率等。近年来，研究人员一直致力于提高这些性能指标，以实现更高效、更可靠的量子存储技术。2021年7月，郭光灿^[18]团队提出一种基于四能级原子系统的无噪声光子回波协议，并试验实现无噪声光子回波固态量子存储，存储保真度为0.952 ± 0.018。2022年2月，美国加州理工学院^[19]基于原子核自旋实现量子存储。2022年3月，瑞士日内瓦大学^[20]利用稀土掺杂晶体实现20 ms量子存储。2023年3月，牛津大学^[21]在离子阱量子网络节点中实现长时间存储，离子-光子纠缠保真度可在10 s后仍保持0.81。

2.4 量子中继器

量子中继器（Quantum Repeater）是用于克服光纤量子通信中损耗和操作错误的关键器件，根据抑制损耗和操作错误方式的不同可将量子中继器分为三代^[22]。

第一代量子中继器的每个中继节点都能够接收、处理和传输经典和量子信息，相互之间保持较短距离，以增加节点间建立纠缠的概率；这些中继节点从Alice到Bob相互连接，从而使远端节点纠缠在一起。由于第一代量子中继器的纠缠纯化、交换步骤需要双向经典通信来向两个节点确认操作成功，这会在通信距离增加时造成性能瓶颈，故研发了第二代只需要单向通信且不需要确认成功率的量子中继方案。

第二代量子中继器采用QEC来进行纠缠纯化^[23-24]，使用此方案不需要等待纠缠纯化的确认信号，因此可以立即再次使用量子比特进行纠缠链接。然而，纠错方案本质上是确定性的，这要求最初在相邻节点之间生成的纠缠态具有高保真度。第一代方案的保真度超过50%就可以满足需求，但具备纠错协议的第二代方案需要超过90%的保真度。

第三代量子中继器依赖于确定性的错误抑制方法（如量子纠错码和单向哈希），以纠正光子数丢失错误和操作错误^[25]。量子信息可以直接编码在一个物理量子比特块中，并通过有损通道发送。如果丢失和操作错误足够小，接收到的物理量子比特可以用来恢复整个编码块，然后重新传输到下一个中继站。第三代方案只需要单向信号传输，因此可以实现非常高的通信速率，就像经典中继器一样，只受限于本地操作延迟。

量子中继器处于不断发展探索的试验阶段，目前已经成功实现了一些小规模量子中继器系统。2021年，郭光灿^[26]团队首次演示了多模式量子中继，并实现两个固态存储器的量子纠缠。2022年，潘建伟^[27]团队将广义Shor码应用于全光量子中继并进行了试验验证。2023年5月，奥地利因斯布鲁克大学^[28]利用两个钙离子作为量子存储器进行量子中继，最终实现超50 km电信波长传输。未来，量子中继器的发展将聚焦于开发高效的量子纠错码和错误抑制方案，克服光子损耗和传输噪声，扩展中继距离，以实现高效的量子中继器。

2.5 量子转换器

量子转换器（Quantum Transducer）是指在量子信息处理过程中用于实现量子信息转换的接口或装置。量子转换器通过在不同物理系统中进行信息转换，以实现不同量子资源之间的互联。量子转换接口根据功能实现的不同可分为多种类型，如量子编码转化器、量子频率转换器等。

量子编码转换器可实现不同编码平台之间的有效转换，成为连接不同量子平台设备的关键，为实现异构平台之间的互联互通提供了解决方案。2022年8月，段路明^[29]课题组利用离子实现了双重量子比特之间的相干转换，单向转换保真度可达99.5%；此项工作利用同种离子实现量子编码转换，为大规模量子计算网络的构建提供可行性参考。2022年12月，法国Kastler Brossel实验室和澳大利亚国立大学联合团队^[30]成功实现不同光学量子比特之间的编码转换，即完成离散变量和连续变量之间的量子信息转换，为实现具有增强多功能性和可扩展性的互联量子设备架构提供参考。

量子频率转换器是一种用于将光子的频率从一个频率转换到另一个频率的装置或技术^[31-32]。由于现有光纤网络可以在1 550 nm波段实现低噪音的远距离信息传输，因此在构建量子信息网络进行信息传输时，需要先使用量子频率转换器将微波光子转换为能够在光纤中进行低损传输的1 550 nm光子，然后再进行传输。研究人员一直致力于开发各种技术、器件来实现高效可靠的量子频率转换。2023年3月22日，美国芝加哥大学和斯坦福大学联合^[33]发表光子转换器研究成果，在低温（5 K）环境下，通过将铷原子（85 Rb）同时耦合到三维超导谐振器和一个减振光学腔中，来实现微波光子到光学光子的转换，转换效率峰值可达58%，带宽为360 kHz。

2.6 量子卫星

构建覆盖全球的大规模量子信息网络的主要限制因素是无法建立跨越不同地理位置的量子中继器，而利用量子卫星作为空间量子中继器，进行地面、空间组合可实现跨地域量子信息网络的构建。然而，需要指出的是量子卫星并不是所有类型量子信息网络构建的必备要素，例如城域量子信息网络的构建并不依赖量子卫星。对量子信息网络而言，现阶段量子卫星的布局主要为将来全球性的网络构建做准备。

我国在2016年8月率先发射了全球首颗量子科学试验卫星“墨子号”，其与我国多个地面站实现安全密钥交换，密钥传输速率达千赫兹，传输距离达1 200 km^[34]。2022年7月27日，全球首颗量子微纳卫星“济南一号”成功发射，相比“墨子号”重量仅为1/6，光源频率提升约6倍，可实时完成密钥处理和生成，未来有望开展微纳卫星与便携式地面站间的量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）传输组网与示范应用。

近年来，量子卫星已成为全球多国及地区布局规划的关注点，例如加拿大QEYSSat项目，美国Marconi 2.0天基量子链路计划，欧洲CQuCoM和Nanobob微纳量子卫星计划，英国Arqit商用QKD卫星计划等。

3 量子信息网络技术及组件未来发展关注点

量子信息网络作为一项前沿技术，正处于初级发展阶段，未来技术发展面临诸多挑战。首先，目前量子纠缠保持时间较短，量子比特错误率较高，需进一步提高量子比特数目及稳定性，以实现可靠的量子通信和计算；其次，在大规模量子信息网络中实现量子态的有效存储和传输也具备一定的挑战性，需要研发更加高效的量子存储器和更可靠的量子态传输技术，以实现长距离量子通信；最后，量子信息网络标准化和互操作性也是一个挑战，量子信息网络涉及平台多样，技术实现方案各有不同，不同量子设备和节点之间可能存在互操作性问题。因此，建立统一的标准和协议，促进不同量子设备和节点之间的互操作性，是实现大规模量子网络的关键。

为解决量子信息网络面临的技术困境，多项使能技术均在同步发展，其中一些技术可能会成为未来一段时间内发展关注的重点。多量子比特量子处理器的发展将为量子信息网络的未来发展奠定基础。首先，多量子比特量子处理器具备的强大计算能力可用来执行复杂运算；同时，量子处理器作为量子信息网络的终端节点，其量子比特数的提升可以有效增强量子信息网络的信息处理能力，使得量子信息网络成为强大高效的信息处理工具。未来的量子信息网络需要先进的QEC编码技术做支撑。如前所述，QEC在量子中继中具有举足轻重的地位，QEC通过降低噪声、退相干及其他环境因素对量子信息的不良影响，使量子信息网络节点间实现高效的量子纠缠纯化及交换。量子态转换器作为量子信息网络的基础组件，其发展成熟度直接决定了量子信息网络结构的复杂度。量子态转换器种类多样，其工作原理与量子处理器的物理平台特性密切相关。基于目前量子处理器平台多路线并行发展的现状，量子态转换器的发展迭代亦应紧跟平台需求，为未来量子信息网络的发展做好基础准备。量子存储器是实现量子中继的核心组件，基于NV色心或稀土掺杂晶体的固态量子存储器通过利用固态系统中的电子自旋或其他缺陷，可以在低温下保持长时间的相干性，成为构建可靠量子信息网络的理想选择。

量子信息网络的构建不是一蹴而就的，而是分阶段推进。短期内，可将量子中继网络作为发展的阶段性目标，重点推进多网络节点的量子纠缠制备分发以及量子节点间的纠缠交换等技术发展，以实现具备实用化功能的量子中继网络，为未来量子信息网络的构建做好阶段性准备。总之，构建量子信息网络涉及多种量子技术和多类量子器件，面临的技术性挑战亦是错综复杂。因此，需要进行多领域间协同合作，为早日实现功能完备的量子信息网络而共同努力。

4 结束语

量子信息网络作为量子通信、量子计算、量子传感三大技术领域相融合的发展方向，是未来量子信息技术发展关注的重点之一。目前，量子信息网络的技术研究及应用发展仍处于起步阶段，在使能技术、关键器件、网络架构、转换接口等方面尚需进一步研究探索。由于量子信息技术的复杂性，构建可靠、高效的量子网络设施需要涵盖多学科领域的技术知识，故发展量子信息网络需要多学科领域的协同合作和努力创新，以实现量子技术的快速发展和广泛应用。未来，随着量子技术的进一步突破和成熟，量子信息网络将实现更长距离、更安全可靠的量子态传输，为保密通信提供新的解决方案。同时，量子信息网络还将在量子计算、量子传感、量子模拟等领域发挥重要作用，为科学探索和技术应用提供更强大的工具。

Enabling technologies and building blocks of quantum information network

YAO Fei, LAI Junsen, LI Fang, ZHAO Wenyu

(Technology and Standards Research Institute, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)

Abstract: Quantum Information Network (QIN) aims to connect multiple quantum processor nodes, providing interconnection networking capabilities for quantum information systems such as quantum computers and quantum sensors. It is an important direction for the future development and integration of quantum information technology. This article reviewed key technical principles, enabling building blocks, and future technical development concerns of the QIN, providing references for research and application exploration in related fields.

Keywords: quantum information network; quantum repeater; quantum devices

本文刊于《信息通信技术与政策》2023年第7期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。