适用于量子混合网络的量子多路纠缠分组交换方法

张凌 王艳琦

摘要：適用于量子混合网络的量子多路纠缠分组交换方法，首先将需要发送的量子报文，按照集中式路由计算得出的多路径资源进行匹配分组，然后采用虚电路方式并行建立端到端量子纠缠多路径，控制消息和测量结果采用分布式路由数据报方式传送，最终通过量子远程传态完成量子信息的端到端传递。这种方法将分组交换的两种技术虚电路和数据报结合使用，同时将集中式路由和分布式路由有机结合，形成了一种新的量子多路纠缠分组传输方法。该方法提高了网络资源利用率，达到多路并行、分流和缩短量子信息传送时间的效果。

关键词：量子网络 量子路径 量子多路纠缠 量子分组交换

中图分类号：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，实现量子通信网络一种比较现实和合理的设计是使用现有的经典互联网网络基础设施来交换经典消息，以运行量子协议以及控制和管理网络本身[1]。量子混合网络是在经典互联网基础上，加入量子终端，新增或升级经典路由器为具有量子中继功能的量子中继路由节点，形成混合网络[2]。量子中继路由节点同时具有经典和量子数据平面，除了可执行经典网络的路由协议和网络管理功能外，还增加了量子存储、量子收发、量子纠缠分发和相关测量控制功能。量子中继器通过纠缠交换将短距离的量子纠缠对“连接”为长距离的量子纠缠，结合量子隐形传态[3]实现传送量子信息的目的。

设计量子混合网络就是为了充分利用和尽量兼容经典网络的物理资源和成熟的网络技术。分组交换技术是经典网络普遍采用的成熟技术，从服务提供实现上分组交换又分为面向连接的虚电路和无连接的数据报[4]。经典互联网广泛采用的是无连接的数据报方式。考虑到量子信息特殊的物理特性和量子信息传输技术的要求，如量子非克隆定理使得量子信息无法复制和无法实现重传，加上量子中继节点不一定都是可信中继，所以量子信息直接照搬数据报方式传送不可行。同时，考虑量子纠缠资源的有限性、退相干、易损性、时效性等，无法将经典互联网的分组交换技术直接应用于量子网络，需要进行重新设计。

量子存储器对时间是敏感的，因为这会导致量子退相干而降低保真度[1-5]。当要传送的量子信息量较大时，若只在一条纠缠路径上传送，用于纠缠交换和远程传态的纠缠粒子对消耗殆尽后，剩余未被传送的量子比特就要等待该路径节点重新生成纠缠粒子对才能继续传送。这就会增加量子信息在量子存储器中的等待时间，导致量子退相干而降低保真度[6]。

针对上述问题，本文提供一种适用于量子混合网络的量子多路纠缠分组交换方法。该方法将分组交换的虚电路和数据报两种技术结合使用，将集中式路由[7-9]和分布式路由[10]有机结合使用，形成了一种新的量子多路纠缠分组传输方法。针对该方法，本文详细说明的执行流程，并设计了执行流程中一个关键的消息——量子路径计算应答消息（也称分组消息）的消息格式。

1 量子混合网络

本文提出的适用于量子混合网络的量子多路纠缠分组交换方法，该方法由量子混合网络里的关键节点协同完成。量子混合网络由经典路由节点、端量子路由节点、量子中继路由节点和集中式量子路由计算单元组成。

经典路由节点是量子混合网络里与量子通信无关的网络节点，是现有经典网络里的路由器，负责经典信息的路由选擇和分组转发。

端量子路由节点是与量子终端连接的量子路由器，除了具备经典路由器的功能外，还具有量子中继功能，但它比一般的量子中继路由节点具备更多功能，如多路复用处理能力和多接口。同时它还要处理量子终端的发送需求，负责代理路由计算和发起多路纠缠分组交换。每个端量子路由节点都有经典信道与集中式量子路由计算单元连通，以便使用客户端/服务器的请求/应答模型实施路径计算。

量子中继路由节点同时具有经典和量子数据平面，除了可执行经典互联网中的路由协议和网络管理功能外，还增加了量子存储、量子收发、量子纠缠和相关测量控制功能，用于帮助生成端到端量子纠缠。

集中式量子路由计算单元是为端量子路由节点提供量子路径计算服务的网元。它是集中式的基于量子链路状态的量子路由计算单元，具有量子路由计算引擎和与之配合的量子链路状态数据库，从反映链路状态的路由协议中（类似OSPF/ISIS/BGP结合量子度量信息的协议）学习量子网络拓扑和量子链路等信息，并存储到数据库中，然后应用路由算法来计算量子路径。根据端量子路由节点发来的量子传送需求计算与需求匹配的量子（多）路径，将需要传送的量子比特总量按照路由度量等约束条件和量子路径容量进行匹配，计算出合适的（多）路径，并在应答消息中反馈计算结果。

量子混合网络示意图如图1所示。由经典路由节点、端量子路由节点、量子中继路由节点和集中式量子路由计算单元组成。图中实线代表经典链路，虚线代表量子纠缠链路，为了画图简便，一条虚线表示两量子设备间有一对或多对量子纠缠链路。

2 量子多路纠缠分组交换方法

适用于量子混合网络的量子多路纠缠分组交换方法过程具体描述如下。

第一步：当量子终端要发送量子报文时，它会向与其连接的（源）端量子路由节点发送量子路径计算请求。该（源）端量子路由节点充当路由代理会将此请求发给集中式量子路由计算单元，计算去往目的量子终端的路径。在此请求消息中，包含计算路径必需的信息：源量子终端地址、目的量子终端地址、需要发送的量子比特数量、约束条件。

第二步：集中式量子路由计算单元使用量子路由算法结合量子链路状态数据库信息计算量子路径。通过计算生成满足约束条件的多路径（如果单条路径就能满足本次传送量需求的情况是一种特例，那么多路径数为1，分组数为1）。如果本轮计算生成的多路径依然无法满足需求的全部传送量，则剩余的无法满足部分将不予理会，应答消息只体现满足本轮计算能够匹配出的多路径信息。

第三步：集中式量子路由计算单元发送量子路径计算应答消息将路径计算结果返回给（源）端量子路由节点。

量子路径计算应答消息（也称分组消息）的格式示意图如表1所示，此消息是集中式量子路由计算单元将路径计算结果返回给（源）端量子路由节点所采用的应答消息格式内容。表中第一个字段为量子报文ID，用于识别对某个量子报文的分组，便于目的量子终端识别同一个量子报文的多个分组并进行重组。第二个字段是路径ID，也称分组ID，用于识别对同一个量子报文的多个分组的顺序，便于目的量子终端按序重组量子报文。第三个字段是第i条量子路径（也称第i个分组）对应可传送的量子比特数，用于通知各量子节点实施多少数量的贝尔态测量（BSM）操作。第四个字段是第i条量子路径（也称第i个分组）按序途经量子节点的地址列表，地址列表包含源量子终端、（源）端量子路由节点、量子中继路由节点（可多个）、（目的）端量子路由节点、目的量子终端，这些地址可供（源）端量子路由节点进行经典路由，将分组消息并发传送给量子中继节点和（目的）端量子路由节点，通知它们实施BSM操作和纠缠交换。同时，它们可通过查询地址列表得知量子节点邻居关系，便于正确地实施BSM操作和纠缠交换。

第四步：（源）端量子路由节点收到量子路径计算应答消息后，查看消息内容，计算给出的多路径能携带量子信息量的总和是否等于请求的传送需求量，如果小于本次请求的传送需求量，则在本轮量子纠缠传送执行后，（源）端量子路由节点将对剩余部分再次向集中式量子路由计算单元提起请求。（源）端量子路由节点按每条路径所匹配的量子比特传送量对量子报文进行分组。所以量子路径计算应答消息也称为分组消息。分组包的个数等于计算所得出的多路径的条数，每个分组包的大小等于每条路径匹配的量子传送量（量子比特数）。之后（源）端量子路由节点复制此分组消息，并利用分布式经典路由网络采用数据报方式并行分发此分组消息，通知这些多路径上的量子中继路由节点和目的量子路由节点进行对应匹配传送量的BSM操作，实施纠缠交换，最终建立起源量子终端到目的量子终端的远程量子纠缠。之后，通过量子隐形传态，完成量子数据传送。

在本次量子纠缠传送执行后，量子纠缠对将被消耗或又被重新生成，量子链路状态信息将会实时更新到集中式量子路由计算单元。

在上述执行步骤中，将分组交换的两种技术虚电路和数据报结合使用。虚电路体现在量子信息的传送采用端到端量子纠缠路径，每一条端到端量子纠缠路径由（源/目的）端量子路由节点和量子中继路由节点组成，这些节点间通过纠缠交换形成端到端量子纠缠链路，每一个量子分组对应到一条端到端量子纠缠路径；数据报体现在要完成量子路径建立和量子信息传送过程中的控制消息、测量结果消息的传送方面，这些消息属于经典比特的传送，由于消息量不大，流量小，采用目前互联网使用的数据报方式，这种方式灵活高效。同时，该系统将集中式路由和分布式路由有机结合。集中式路由体现在量子多路径纠缠路由的计算上，端到端纠缠路由计算要具有全局观，同时考虑纠缠资源的不稳定和易损性会导致链路状态变化多端，路由计算更新较为频繁，所以采用集中式可将高性能的计算引擎集中投入在有限的设备上；分布式路由体现在测量结果、各种控制消息的传送上，这些经典比特消息的传送任务由经典路由器完成，采用分布式路由即可实现。此外，该系统按集中式量子路由计算单元计算出的每条路径所匹配的量子比特传送量对量子报文进行分组。分组包的个数等于计算所得出的多路径的条数，每个分组包的大小等于每条路径匹配的量子传送量，大小不一定相等。

3 量子多路纠缠分组交换方法举例

为便于理解，结合图1所示的量子混合网络为例来说明量子多路纠缠分组交换方法的具体实施流程。需要说明的是本文所提出的方法应用场景为任意量子混合网络。

第一步：量子終端A想要发送一个含有N个量子比特的量子报文给量子终端B，A会向与其连接的（源）端量子路由节点C发送量子路径计算请求，如图2中①所示。C充当路由代理会将此请求消息发给集中式量子路由计算单元，如图2中②所示，让它计算去往B的路径。在此请求消息中，包含计算路径必需的信息有：源量子终端A地址、目的量子终端B地址、需要发送的量子比特数量N、约束条件（如保真度、量子中继跳数、时延等）。

第二步：集中式量子路由计算单元使用量子路由算法结合量子链路状态数据库信息计算量子路径，如图2中③所示。本实施例通过计算假设生成满足约束条件的量子多路径有m条，分别是：第1条为A-C-K-L-G-B，……第i条为A-C-H-I-J-G-B，……第m条为A-C-D-E-F-G-B。这m条路径可传送的量子比特数分别为n1，……ni，……nm，≤N，如果是＜N，表示此轮多路径计算的量子路径资源无法全部满足N个量子比特传送量，集中式量子路由计算单元不做进一步处理，而需要本轮量子信息传送实施完毕后，再由（源）端量子路由节点发起对剩余传送需求量（N-）的路径计算请求。为简单起见，此实施案例假设=N。

第三步：集中式量子路由计算单元将路径计算结果以量子路径计算应答消息的格式发送返回给节点C，如图2中④所示。

第四步：节点C收到量子路径计算应答消息（也称分组消息）后，查看消息内容，得知有m条路径，计算结果为N，得知本轮请求已全部满足传送需求。（源）端量子路由节点按每条路径所匹配的量子比特传送量对量子报文进行分组。由于计算得出m条路径，所以分组包的个数为m个。这m个分组包的大小为量子传送比特数，分别为n1，……ni，……nm。节点C查看各多路径ID（分组ID）对应的量子中继路由节点地址和（目的）端量子路由节点地址，复制分组消息并利用分布式经典路由网络采用数据报方式传送给这些节点，如图2中⑤所示。分组消息被路由器（包括经典路由器和量子中继路由器的经典路由功能）路由到达每个量子中继路由节点的时间顺序不一定与量子路径上的节点顺序一致。一旦某个量子中继路由节点收到分组消息，通过查看路径可知其量子链路邻居，即可进行对应传送量的BSM操作，实施纠缠交换，最终建立起终端A到终端B的m条远程量子纠缠。之后，通过量子隐形传态，完成N个量子比特传送，这就完成了该量子报文的传送。

通过上述结合示例的多路纠缠分组交换方法的说明可以看出，将需要传送的量子信息进行分组，每个分组在不同的路径上并行传输，起到了量子信息传送分组、分流的作用，并行相比于串行传送方式能缩短量子信息的传输时间，在量子网络里。这对于受时限的量子存储和易退相干的量子纠缠路径而言，是一个至关重要的指标改善。

4 结语

本文提出了一种适用于量子混合网络的量子多路纠缠分组交换方法。通过分析为什么需要在量子混合网络里考虑分组交换技术，针对量子信息独特的物理特性提出了适用于量子网络的分组交换方法。该方法按集中式量子路由计算单元计算出的每条路径所匹配的量子比特传送量，对量子报文进行分组，分组包的个数等于计算所得出的多路径的条数；每个分组包的大小等于每条路径匹配的量子传送量，然后采用并发方式建立量子纠缠多路径传送分组包。一方面，该方法结合了虚电路和数据报两种分组交换技术。量子信息的传送采用端到端量子纠缠路径即虚电路方式，每一个量子分组对应到一条端到端量子纠缠路径；量子路径建立和量子信息传送过程中的控制消息、测量结果消息的传送采用经典互联网数据报方式。另一方面，该方法将集中式路由和分布式路由结合。量子多路径纠缠路由的计算采用集中式路由；测量结果、各种控制消息的传送由经典路由节点采用分布式路由完成。该方法充分利用网络资源，通过多路并行、分流，达到缩短量子信息传送时间的目的。

參考文献

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