量子網路，或者以全球型態來說，量子網際網路，是與量子密碼學、量子運算和量子感測並列的關鍵新興量子技術之一。量子網路有望提供使用者一個可以交換量子資訊的平台，這樣的能力對於量子密碼學(Quantum Cryptography)、分散式量子運算(Distributed Quantum Computing)和量子感測器(Quantum Sensor)網路來說，必不可少。
儘管上述所列各自皆為重要應用，並且已有各種實踐方面的提案，量子網路的確切效用和實作細節仍然是一個活躍的研究領域，在量子網路的各個層面上具有許多創新的機會，研究團隊積極推動該領域的進展，例如思科(Cisco)量子實驗室的部分研究工作便包括量子網路。目前可以確定的是，量子資訊要以電磁波的形式在量子網路中進行傳輸。本文所考慮的是數位量子系統，其中，資訊以量子位元(Quantum Bit)或短量子位元(Short Qubit)的形式表示。因此，量子網路的核心目的是允許其使用者以光子(或光的微小波包)的形式交換量子位元。
實現未來量子網際網路的一項基礎挑戰，是克服長距離傳輸中的訊號衰減。不幸的是，量子力學的基本定律禁止將經典的解決方案應用於量子網路，因此需要找出基於量子的新思路。思科量子實驗室在最近一個項目中，針對這個方向展開新的研究，本文將進一步闡述該研究內容。
過去二十多年，人們設計了許多協定，這些協定通常被稱為量子中繼器(以其經典對應物命名)，以處理未來量子網路中的訊號衰減問題，其基本概念是在總體傳輸距離中間放置一些中繼站，以便將光子損失列入考慮並有效地解決問題。
量子中繼器協定需要避免引入新的漏洞，而使量子所保證的安全性或隱私面臨風險。例如，簡單的重複方式將破壞量子安全。想像典型的量子通訊，其中進行量子位元交換，安全性由量子的不可複製定理獲得保障[該定理指出，除非測量量子位元並揭示其狀態，否則任意的未知量子狀態不能被複製]。因為需要經過測量才能複製/觀察任意未知量子位元，使用者能夠發現是否有竊聽者攔截資訊傳輸。現在，考慮下述情況：發送方針對同一量子位元發送出多個副本，希望其中一個能夠抵達目的地。在這種情況下，名義上被收件人視為「丟失」的量子位元，很可能是被竊聽者攔截取走。因此，量子中繼器需要超越典型中繼器的新技術和量子操作。下文將回顧一些硬體問題，以及最近思科量子實驗室為尋找解決這些問題的可能方法所做的努力。
雙向/單向中繼器解析
量子中繼器協定在所需通訊類型方面一般分為兩類：
．雙向中繼器：這些協定是基於預示的量子糾纏分布，在發送方和接收方之間經過三步驟程序建立成對的糾纏鏈路(Bell pair)，如圖1所示。首先，相鄰中繼器之間形成短距離的Bell pair；其次，在本地Bell基礎上測量中間節點的量子位元，這個過程也被稱為糾纏態交換(Entanglement Swapping)；最後，測量結果將宣布給鄰近的中繼器，這需要一個雙向的通訊通道。接著，量子資訊透過所生成的Bell pair進行遠距離傳輸。
圖1 雙向中繼器
．單向中繼器：這些協定基於量子糾錯(Quantum Error Correction)，其中已編碼的量子資訊採用多光子狀態的形式進行傳輸(圖2)。這些編碼狀態對光子損失具有一定彈性，具體取決於量子代碼(Quantum Code)；大致上來說，用於量子位元編碼的光子越多，得到的彈性越大。接下來，中間中繼站檢查傳入的狀態是否出現錯誤，並準備一個新的已編碼量子位元，作為輸出發送至下一個中繼器。因此，資訊總是在單一方向上進行傳輸，而編碼後的量子位元在目的地被讀出。
圖2 單向中繼器
第一種中繼器需要的雙向通訊往往導致新的規模挑戰，包括每個站點的延遲和長壽命量子記憶體(通常在低溫下運行)，並且可能發生網路壅塞。基於這些原因，思科量子實驗室在最近的研究中主要關注單向中繼器，提出一個只涉及光子的通用框架，因此命名為「全光子單向量子中繼器(圖3)」。這代表，原則上不需要使用量子記憶體。此外，與之前的文獻相比，該中繼器協定基於三個原則：簡單化、效率和彈性，將在下文中進一步解釋。
圖3 全光子單向量子中繼器
全光子單向量子中繼器三大優勢
．簡單化：過往文獻通常涉及在每個中繼器節點進行某種量子糾錯操作(如圖2所示)，可能導致整個過程變得相當複雜。相較之下，新協定透過只採用固定的量子閘(Quantum Gate)和直接檢測來簡化這一過程，將所有的資料處理和糾錯推遲到接收方再進行。如此一來便可針對中繼器的硬體和軟體進行簡化。
．效率：過往協定在每個已編碼量子位元使用數百到數千個光子。由於很難保持大量光子的連貫性，生成這樣龐大的編碼任務繁重。透過在接收方進行糾錯，能夠採用分散式演算法來針對整個網路進行糾錯，提升實作效率，也就是以明顯較少的光子獲得類似性能。
．彈性：傳統中繼器協定的一個共同點是，硬體完全為特定的量子編碼所設計，若要切換到另一種編碼需要做大量的改變。在最新研究中，將所有的複雜性帶入單一設備，即所謂的資源狀態產生器(RSG)，其透過發送脈衝雷射穿過干涉儀和光子探測器陣列，來輸出多光子編碼量子位元(見圖3)。RSG在(矽)光子積體電路上製造，其同為量子運算的一個候選平台(儘管我們並不需要完全的量子運算能力)。如此一來，可透過軟體更新來升級至新的量子代碼，也就是對光子積體電路重新編程(Reprogramming)。因為可採用新世代的量子代碼，這樣的靈活性進一步帶來長期優勢。例如，使用者可以在該中繼器方案中，利用最近開發的量子低密度奇偶校驗(QLDPC)編碼的優秀特性。
總而言之，在開發量子中繼器以實現廣域量子網路方面存在許多挑戰，同時也代表這領域具有許多創新的機會。思科量子實驗室認為，利用近期在整合式量子光學方面的突破來為量子中繼器構建新穎靈活的架構，是個前景可期的研發方向。
(本文作者任職於Cisco)