量子信息网络概念原理与发展前景初探*

赖俊森 赵文玉 张海懿

(中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191)

0 引言

量子通信利用量子叠加态及纠缠效应，在经典通信辅助下，进行量子态信息传输或密钥分发，在理论协议层面具有无法被窃听的信息论安全性保证。量子通信的主要应用包括量子隐形传态(Quantum Teleportation，QT)、量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)、量子直接通信、量子秘密共享和量子密集编码等方向。其中，基于QKD的量子保密通信是目前已经初步实用化的应用方向，基于QT构建量子信息网络(Quantum Information Network，QIN)是未来量子通信研究与应用探索的重要方向。量子信息网络，也称量子互联网(Quantum Internet)[1]，基于量子通信技术产生、传输和使用量子态资源，实现量子计算机、量子传感器等量子信息处理系统或节点之间的互联和量子态信息传输，可进一步提升量子信息传输和处理能力，成为未来量子信息技术研究和应用探索的重要方向之一。

1 量子信息网络基本概念与特性

量子信息网络基于QT实现未知量子态信息的传输和组网。首先，信息收发双方通过纠缠光子对A、B的制备与分发(即量子纠缠分发)构建量子通信信道；随后，信息发送方将包含未知量子态信息的光子X与纠缠光子A进行贝尔态联合测量，并通过经典通信信道告知接收方测量结果；最后，信息接收方据此对纠缠光子B进行相应的酉变换操作，得到发送方光子X的量子态信息，完成量子通信过程。其中，进行量子态信息远距离传输的主要物理载体是单光子或光子纠缠对，也称“飞行量子比特”；……