百度量子计算研究所｜量子互联网：从理论到实践

研究意义

量子互联网是通过量子技术赋能传统互联网的一种方式百度网。通过对量子资源及量子特性的合理使用，量子互联网有望在数据传输效率、信息处理能力及网络服务安全等各方面为现有的互联网带来本质上的提升，对于国家信息安全及数字经济发展具有重要意义。量子互联网被认为是21世纪最重要的技术前沿之一，其广阔的应用前景引起了全球关注和各国的竞相布局。然而，在大规模量子互联网的实现道路中，量子网络硬件性能、量子网络架构设计、量子网络应用研发、量子网络生态构建等各方面依然存在瓶颈。近期百度量子计算研究所在SCIENCE CHINA Information Sciences上投稿“Quantum NETwork: from theory to practice”，介绍了最新研发的量子网络工具集 QNET，可用于量子网络协议设计、应用开发、架构测试和实验验证，以进一步加速量子互联网的前沿技术探索，打造开放可持续的量子网络开发生态。文章即将在 SCIS 2023年第8期量子信息专题上出版。

图1：量子网络及其核心组成部分的示意图

本文工作

在本文中，作者首先从理论和实验的角度对量子网络领域进行了最新的回顾，以便读者更好地理解构建量子互联网的核心元素以及主要挑战百度网。在此基础之上，作者进一步介绍了近期研发的开源量子网络工具集 QNET，可用于量子网络协议设计，量子网络架构测试，加速量子网络标准制定与部署。当前，QNET 包含了量子计算和网络仿真所需要的核心引擎，量子网络设计所需要的软硬件以及拓扑模块，以及常用模板构成的模型库。QNET 提供了完备的离散事件仿真框架，帮助对量子网络系统状态进行高效跟踪和准确模拟，模块化设计可为不同量子网络架构提供测试环境。特别地，QNET 已经接入真实的量子硬件，通过量子网络协议编译方案可将多节点间的交互协议编译成量子电路并提交至量子计算机上运行。作者希望这项工作可以让读者对量子互联网的发展获得更好的了解，同时也希望通过 QNET 为用户和开发者提供探索量子互联网技术的平台和工具，为加速量子互联网的发展做出贡献。

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图2：量子网络工具集QNET的核心架构（基于版本1.2.0）

实验结果

本文通过 QNET 完成了大量的实验案例，特别地，对著名的“墨子号”量子科学卫星的一项量子密钥分发实验进行了仿真百度网。该实验在卫星和地面接收站之间进行量子密钥分发，整个过程包含卫星姿态调整、跟踪锁定、密钥分发等一系列流程。开展卫星实验和仿真的难点在于量子卫星的位置实时变化，需要实时跟踪和调整。为此，作者在 QNET 中构建了量子卫星以及自由空间量子信道等模型。

图3：星地量子密钥分发实验示意图

根据文献中的公开信息，作者对“墨子号”卫星的整个实验流程和实验数据进行了仿真百度网。如下图所示，仿真结果与真实实验数据高度吻合，进而在软件层面上实现了该项实验的验证。作者希望 QNET 能够参与到后续高难度、高成本的量子实验中，以降低硬件实验的试错成本，加速量子互联网技术的研发效率。

图4：QNET仿真数据（红色）和真实实验数据（蓝色）对比百度网。横轴是量子密钥分发时间，纵轴是密钥率

除了点对点的实验之外，QNET 也可以用于设计和验证完整的量子网络架构，或通过连接真实的量子设备对量子网络协议实现评估和验证百度网。感兴趣的读者请参考原文以了解更多特色案例。

Kun FANG, Jingtian ZHAO, Xiufan LI, Yifei LI & Runyao DUAN. Quantum NETwork: from theory to practice. Sci China Inf Sci

来自：百度AI