張凌 王艷琦

摘要：適用于量子混合網(wǎng)絡(luò)的量子多路糾纏分組交換方法，首先將需要發(fā)送的量子報文，按照集中式路由計算得出的多路徑資源進行匹配分組，然后采用虛電路方式并行建立端到端量子糾纏多路徑，控制消息和測量結(jié)果采用分布式路由數(shù)據(jù)報方式傳送，最終通過量子遠程傳態(tài)完成量子信息的端到端傳遞。這種方法將分組交換的兩種技術(shù)虛電路和數(shù)據(jù)報結(jié)合使用，同時將集中式路由和分布式路由有機結(jié)合，形成了一種新的量子多路糾纏分組傳輸方法。該方法提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，達到多路并行、分流和縮短量子信息傳送時間的效果。

關(guān)鍵詞：量子網(wǎng)絡(luò)?量子路徑?量子多路糾纏?量子分組交換

中圖分類號：TN98

A?Packet-Switching?Method?of?Multipath?Quantum?Entanglement?for?Hybrid?Quantum?Networks

ZHANG?Ling1??WANG?Yanqi2

1.?Dianchi?College?of?Yunnan?University，?Kunming，?Yunnan?Province，?650228?China;2.?North?China?Power?Engineering?Co.，?Ltd.，?China?Power?Engineering?Consulting?Group，?Beijing，?100120?China

Abstract：?A?packet-switching?method?of?multipath?quantum?entanglement?for?hybrid?quantum?networks?is?proposed.?Firstly，?quantum?messages?to?be?sent?are?matched?and?grouped?according?to?multipath?resources?calculated?by?centralized?routing，?and?then?the?end-to-end?multipath?of?quantum?entanglement?is?established?in?parallel?by?virtual?circuits，?and?control?messages?and?measurement?outcomes?are?transmitted?by?distributed?routing?datagrams.?Finally，?the?end-to-end?transmission?of?quantum?information?is?completed?through?quantum?teleportation.?This?method?combines?the?two?technologies?of?packet?switching：?the?virtual?circuit?and?datagram，?organically?combines?centralized?routing?and?distributed?routing，?and?then?forms?a?new?packet-transmission?method?of?multipath?quantum?entanglement.?This?method?improves?the?utilization?rate?of?network?resources，?and?achieves?the?effect?of?multi-channel?parallelism，?shunting?and?shortening?the?transmission?time?of?quantum?information.

Key?Words：?Quantum?network;?Quantum?path;?Multipath?quantum?entanglement;?Quantum?packet?switching

目前，實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)一種比較現(xiàn)實和合理的設(shè)計是使用現(xiàn)有的經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來交換經(jīng)典消息，以運行量子協(xié)議以及控制和管理網(wǎng)絡(luò)本身[1]。量子混合網(wǎng)絡(luò)是在經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，加入量子終端，新增或升級經(jīng)典路由器為具有量子中繼功能的量子中繼路由節(jié)點，形成混合網(wǎng)絡(luò)[2]。量子中繼路由節(jié)點同時具有經(jīng)典和量子數(shù)據(jù)平面，除了可執(zhí)行經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理功能外，還增加了量子存儲、量子收發(fā)、量子糾纏分發(fā)和相關(guān)測量控制功能。量子中繼器通過糾纏交換將短距離的量子糾纏對“連接”為長距離的量子糾纏，結(jié)合量子隱形傳態(tài)[3]實現(xiàn)傳送量子信息的目的。

設(shè)計量子混合網(wǎng)絡(luò)就是為了充分利用和盡量兼容經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的物理資源和成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。分組交換技術(shù)是經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)普遍采用的成熟技術(shù)，從服務(wù)提供實現(xiàn)上分組交換又分為面向連接的虛電路和無連接的數(shù)據(jù)報[4]。經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)廣泛采用的是無連接的數(shù)據(jù)報方式?？紤]到量子信息特殊的物理特性和量子信息傳輸技術(shù)的要求，如量子非克隆定理使得量子信息無法復(fù)制和無法實現(xiàn)重傳，加上量子中繼節(jié)點不一定都是可信中繼，所以量子信息直接照搬數(shù)據(jù)報方式傳送不可行。同時，考慮量子糾纏資源的有限性、退相干、易損性、時效性等，無法將經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)的分組交換技術(shù)直接應(yīng)用于量子網(wǎng)絡(luò)，需要進行重新設(shè)計。

量子存儲器對時間是敏感的，因為這會導(dǎo)致量子退相干而降低保真度[1-5]。當要傳送的量子信息量較大時，若只在一條糾纏路徑上傳送，用于糾纏交換和遠程傳態(tài)的糾纏粒子對消耗殆盡后，剩余未被傳送的量子比特就要等待該路徑節(jié)點重新生成糾纏粒子對才能繼續(xù)傳送。這就會增加量子信息在量子存儲器中的等待時間，導(dǎo)致量子退相干而降低保真度[6]。

針對上述問題，本文提供一種適用于量子混合網(wǎng)絡(luò)的量子多路糾纏分組交換方法。該方法將分組交換的虛電路和數(shù)據(jù)報兩種技術(shù)結(jié)合使用，將集中式路由[7-9]和分布式路由[10]有機結(jié)合使用，形成了一種新的量子多路糾纏分組傳輸方法。針對該方法，本文詳細說明的執(zhí)行流程，并設(shè)計了執(zhí)行流程中一個關(guān)鍵的消息——量子路徑計算應(yīng)答消息（也稱分組消息）的消息格式。

1?量子混合網(wǎng)絡(luò)

本文提出的適用于量子混合網(wǎng)絡(luò)的量子多路糾纏分組交換方法，該方法由量子混合網(wǎng)絡(luò)里的關(guān)鍵節(jié)點協(xié)同完成。量子混合網(wǎng)絡(luò)由經(jīng)典路由節(jié)點、端量子路由節(jié)點、量子中繼路由節(jié)點和集中式量子路由計算單元組成。

經(jīng)典路由節(jié)點是量子混合網(wǎng)絡(luò)里與量子通信無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，是現(xiàn)有經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)里的路由器，負責經(jīng)典信息的路由選擇和分組轉(zhuǎn)發(fā)。

端量子路由節(jié)點是與量子終端連接的量子路由器，除了具備經(jīng)典路由器的功能外，還具有量子中繼功能，但它比一般的量子中繼路由節(jié)點具備更多功能，如多路復(fù)用處理能力和多接口。同時它還要處理量子終端的發(fā)送需求，負責代理路由計算和發(fā)起多路糾纏分組交換。每個端量子路由節(jié)點都有經(jīng)典信道與集中式量子路由計算單元連通，以便使用客戶端/服務(wù)器的請求/應(yīng)答模型實施路徑計算。

量子中繼路由節(jié)點同時具有經(jīng)典和量子數(shù)據(jù)平面，除了可執(zhí)行經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)中的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理功能外，還增加了量子存儲、量子收發(fā)、量子糾纏和相關(guān)測量控制功能，用于幫助生成端到端量子糾纏。

集中式量子路由計算單元是為端量子路由節(jié)點提供量子路徑計算服務(wù)的網(wǎng)元。它是集中式的基于量子鏈路狀態(tài)的量子路由計算單元，具有量子路由計算引擎和與之配合的量子鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，從反映鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議中（類似OSPF/ISIS/BGP結(jié)合量子度量信息的協(xié)議）學習量子網(wǎng)絡(luò)拓撲和量子鏈路等信息，并存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后應(yīng)用路由算法來計算量子路徑。根據(jù)端量子路由節(jié)點發(fā)來的量子傳送需求計算與需求匹配的量子（多）路徑，將需要傳送的量子比特總量按照路由度量等約束條件和量子路徑容量進行匹配，計算出合適的（多）路徑，并在應(yīng)答消息中反饋計算結(jié)果。

量子混合網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。由經(jīng)典路由節(jié)點、端量子路由節(jié)點、量子中繼路由節(jié)點和集中式量子路由計算單元組成。圖中實線代表經(jīng)典鏈路，虛線代表量子糾纏鏈路，為了畫圖簡便，一條虛線表示兩量子設(shè)備間有一對或多對量子糾纏鏈路。

2?量子多路糾纏分組交換方法

適用于量子混合網(wǎng)絡(luò)的量子多路糾纏分組交換方法過程具體描述如下。

第一步：當量子終端要發(fā)送量子報文時，它會向與其連接的（源）端量子路由節(jié)點發(fā)送量子路徑計算請求。該（源）端量子路由節(jié)點充當路由代理會將此請求發(fā)給集中式量子路由計算單元，計算去往目的量子終端的路徑。在此請求消息中，包含計算路徑必需的信息：源量子終端地址、目的量子終端地址、需要發(fā)送的量子比特數(shù)量、約束條件。

第二步：集中式量子路由計算單元使用量子路由算法結(jié)合量子鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫信息計算量子路徑。通過計算生成滿足約束條件的多路徑（如果單條路徑就能滿足本次傳送量需求的情況是一種特例，那么多路徑數(shù)為1，分組數(shù)為1）。如果本輪計算生成的多路徑依然無法滿足需求的全部傳送量，則剩余的無法滿足部分將不予理會，應(yīng)答消息只體現(xiàn)滿足本輪計算能夠匹配出的多路徑信息。

第三步：集中式量子路由計算單元發(fā)送量子路徑計算應(yīng)答消息將路徑計算結(jié)果返回給（源）端量子路由節(jié)點。

量子路徑計算應(yīng)答消息（也稱分組消息）的格式示意圖如表1所示，此消息是集中式量子路由計算單元將路徑計算結(jié)果返回給（源）端量子路由節(jié)點所采用的應(yīng)答消息格式內(nèi)容。表中第一個字段為量子報文ID，用于識別對某個量子報文的分組，便于目的量子終端識別同一個量子報文的多個分組并進行重組。第二個字段是路徑ID，也稱分組ID，用于識別對同一個量子報文的多個分組的順序，便于目的量子終端按序重組量子報文。第三個字段是第i條量子路徑（也稱第i個分組）對應(yīng)可傳送的量子比特數(shù)，用于通知各量子節(jié)點實施多少數(shù)量的貝爾態(tài)測量（BSM）操作。第四個字段是第i條量子路徑（也稱第i個分組）按序途經(jīng)量子節(jié)點的地址列表，地址列表包含源量子終端、（源）端量子路由節(jié)點、量子中繼路由節(jié)點（可多個）、（目的）端量子路由節(jié)點、目的量子終端，這些地址可供（源）端量子路由節(jié)點進行經(jīng)典路由，將分組消息并發(fā)傳送給量子中繼節(jié)點和（目的）端量子路由節(jié)點，通知它們實施BSM操作和糾纏交換。同時，它們可通過查詢地址列表得知量子節(jié)點鄰居關(guān)系，便于正確地實施BSM操作和糾纏交換。

第四步：（源）端量子路由節(jié)點收到量子路徑計算應(yīng)答消息后，查看消息內(nèi)容，計算給出的多路徑能攜帶量子信息量的總和是否等于請求的傳送需求量，如果小于本次請求的傳送需求量，則在本輪量子糾纏傳送執(zhí)行后，（源）端量子路由節(jié)點將對剩余部分再次向集中式量子路由計算單元提起請求。（源）端量子路由節(jié)點按每條路徑所匹配的量子比特傳送量對量子報文進行分組。所以量子路徑計算應(yīng)答消息也稱為分組消息。分組包的個數(shù)等于計算所得出的多路徑的條數(shù)，每個分組包的大小等于每條路徑匹配的量子傳送量（量子比特數(shù)）。之后（源）端量子路由節(jié)點復(fù)制此分組消息，并利用分布式經(jīng)典路由網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)報方式并行分發(fā)此分組消息，通知這些多路徑上的量子中繼路由節(jié)點和目的量子路由節(jié)點進行對應(yīng)匹配傳送量的BSM操作，實施糾纏交換，最終建立起源量子終端到目的量子終端的遠程量子糾纏。之后，通過量子隱形傳態(tài)，完成量子數(shù)據(jù)傳送。

在本次量子糾纏傳送執(zhí)行后，量子糾纏對將被消耗或又被重新生成，量子鏈路狀態(tài)信息將會實時更新到集中式量子路由計算單元。

在上述執(zhí)行步驟中，將分組交換的兩種技術(shù)虛電路和數(shù)據(jù)報結(jié)合使用。虛電路體現(xiàn)在量子信息的傳送采用端到端量子糾纏路徑，每一條端到端量子糾纏路徑由（源/目的）端量子路由節(jié)點和量子中繼路由節(jié)點組成，這些節(jié)點間通過糾纏交換形成端到端量子糾纏鏈路，每一個量子分組對應(yīng)到一條端到端量子糾纏路徑；數(shù)據(jù)報體現(xiàn)在要完成量子路徑建立和量子信息傳送過程中的控制消息、測量結(jié)果消息的傳送方面，這些消息屬于經(jīng)典比特的傳送，由于消息量不大，流量小，采用目前互聯(lián)網(wǎng)使用的數(shù)據(jù)報方式，這種方式靈活高效。同時，該系統(tǒng)將集中式路由和分布式路由有機結(jié)合。集中式路由體現(xiàn)在量子多路徑糾纏路由的計算上，端到端糾纏路由計算要具有全局觀，同時考慮糾纏資源的不穩(wěn)定和易損性會導(dǎo)致鏈路狀態(tài)變化多端，路由計算更新較為頻繁，所以采用集中式可將高性能的計算引擎集中投入在有限的設(shè)備上；分布式路由體現(xiàn)在測量結(jié)果、各種控制消息的傳送上，這些經(jīng)典比特消息的傳送任務(wù)由經(jīng)典路由器完成，采用分布式路由即可實現(xiàn)。此外，該系統(tǒng)按集中式量子路由計算單元計算出的每條路徑所匹配的量子比特傳送量對量子報文進行分組。分組包的個數(shù)等于計算所得出的多路徑的條數(shù)，每個分組包的大小等于每條路徑匹配的量子傳送量，大小不一定相等。

3?量子多路糾纏分組交換方法舉例

為便于理解，結(jié)合圖1所示的量子混合網(wǎng)絡(luò)為例來說明量子多路糾纏分組交換方法的具體實施流程。需要說明的是本文所提出的方法應(yīng)用場景為任意量子混合網(wǎng)絡(luò)。

第一步：量子終端A想要發(fā)送一個含有N個量子比特的量子報文給量子終端B，A會向與其連接的（源）端量子路由節(jié)點C發(fā)送量子路徑計算請求，如圖2中①所示。C充當路由代理會將此請求消息發(fā)給集中式量子路由計算單元，如圖2中②所示，讓它計算去往B的路徑。在此請求消息中，包含計算路徑必需的信息有：源量子終端A地址、目的量子終端B地址、需要發(fā)送的量子比特數(shù)量N、約束條件（如保真度、量子中繼跳數(shù)、時延等）。

第二步：集中式量子路由計算單元使用量子路由算法結(jié)合量子鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫信息計算量子路徑，如圖2中③所示。本實施例通過計算假設(shè)生成滿足約束條件的量子多路徑有m條，分別是：第1條為A-C-K-L-G-B，……第i條為A-C-H-I-J-G-B，……第m條為A-C-D-E-F-G-B。這m條路徑可傳送的量子比特數(shù)分別為n1，……ni，……nm，≤N，如果是＜N，表示此輪多路徑計算的量子路徑資源無法全部滿足N個量子比特傳送量，集中式量子路由計算單元不做進一步處理，而需要本輪量子信息傳送實施完畢后，再由（源）端量子路由節(jié)點發(fā)起對剩余傳送需求量（N-）的路徑計算請求。為簡單起見，此實施案例假設(shè)=N。

第三步：集中式量子路由計算單元將路徑計算結(jié)果以量子路徑計算應(yīng)答消息的格式發(fā)送返回給節(jié)點C，如圖2中④所示。

第四步：節(jié)點C收到量子路徑計算應(yīng)答消息（也稱分組消息）后，查看消息內(nèi)容，得知有m條路徑，計算結(jié)果為N，得知本輪請求已全部滿足傳送需求。（源）端量子路由節(jié)點按每條路徑所匹配的量子比特傳送量對量子報文進行分組。由于計算得出m條路徑，所以分組包的個數(shù)為m個。這m個分組包的大小為量子傳送比特數(shù)，分別為n1，……ni，……nm。節(jié)點C查看各多路徑ID（分組ID）對應(yīng)的量子中繼路由節(jié)點地址和（目的）端量子路由節(jié)點地址，復(fù)制分組消息并利用分布式經(jīng)典路由網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)報方式傳送給這些節(jié)點，如圖2中⑤所示。分組消息被路由器（包括經(jīng)典路由器和量子中繼路由器的經(jīng)典路由功能）路由到達每個量子中繼路由節(jié)點的時間順序不一定與量子路徑上的節(jié)點順序一致。一旦某個量子中繼路由節(jié)點收到分組消息，通過查看路徑可知其量子鏈路鄰居，即可進行對應(yīng)傳送量的BSM操作，實施糾纏交換，最終建立起終端A到終端B的m條遠程量子糾纏。之后，通過量子隱形傳態(tài)，完成N個量子比特傳送，這就完成了該量子報文的傳送。

通過上述結(jié)合示例的多路糾纏分組交換方法的說明可以看出，將需要傳送的量子信息進行分組，每個分組在不同的路徑上并行傳輸，起到了量子信息傳送分組、分流的作用，并行相比于串行傳送方式能縮短量子信息的傳輸時間，在量子網(wǎng)絡(luò)里。這對于受時限的量子存儲和易退相干的量子糾纏路徑而言，是一個至關(guān)重要的指標改善。

4?結(jié)語

本文提出了一種適用于量子混合網(wǎng)絡(luò)的量子多路糾纏分組交換方法。通過分析為什么需要在量子混合網(wǎng)絡(luò)里考慮分組交換技術(shù)，針對量子信息獨特的物理特性提出了適用于量子網(wǎng)絡(luò)的分組交換方法。該方法按集中式量子路由計算單元計算出的每條路徑所匹配的量子比特傳送量，對量子報文進行分組，分組包的個數(shù)等于計算所得出的多路徑的條數(shù)；每個分組包的大小等于每條路徑匹配的量子傳送量，然后采用并發(fā)方式建立量子糾纏多路徑傳送分組包。一方面，該方法結(jié)合了虛電路和數(shù)據(jù)報兩種分組交換技術(shù)。量子信息的傳送采用端到端量子糾纏路徑即虛電路方式，每一個量子分組對應(yīng)到一條端到端量子糾纏路徑；量子路徑建立和量子信息傳送過程中的控制消息、測量結(jié)果消息的傳送采用經(jīng)典互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報方式。另一方面，該方法將集中式路由和分布式路由結(jié)合。量子多路徑糾纏路由的計算采用集中式路由；測量結(jié)果、各種控制消息的傳送由經(jīng)典路由節(jié)點采用分布式路由完成。該方法充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，通過多路并行、分流，達到縮短量子信息傳送時間的目的。

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