「糾纏」是實現量子遙傳的關鍵特性，本文將討論在布建大規模網路時，糾纏分配網路的實作方案，並著重解析循序方案的優勢。
量子網路是進行量子通訊的關鍵，讓量子位元資訊(Qubit)交換得以實現。實現量子網路的其中一種方法是在網路中的每對節點之間分配糾纏(Entanglement)，使其可透過量子遙傳(Quantum Teleportation)交換量子位元。這樣的量子網路稱為糾纏分配網路(Entanglement Distribution Network)。
在長距離鏈路之間整合雙向量子中繼器網路，是在大規模網路中建立長距離糾纏鏈路(Entanglement Link)的解決方案之一。此方法可將長距離鏈路分成數個較短、更容易管理的區段。接著，這些基礎的糾纏鏈路會透過稱為糾纏交換(Entanglement Swapping)或貝爾態量測(Bell-state Measurement)的過程連接起來。如果需要更多背景資訊，請參閱這篇文章中的雙向中繼器介紹，也可以參考這篇文章了解如何升級現有的典型網路基礎設施以實現糾纏分配。
為了編排從基礎鏈路開始的端到端糾纏產生過程，各式方案已被提出。本文將著重討論這些通訊協定的實務層面，特別介紹一種非同步的方式：循序方案。
糾纏交換需要非同步通訊協定
隨著量子網路規模擴大，會遇到多使用者請求、路由和壅塞等問題。傳統網路透過同步時序(Timing)和中央控制來因應這些挑戰，然而，在更大規模下，由於中央控制器和網路其他部分之間具有複雜的路由和傳統網路的通訊延遲，採用此類方案將十分複雜。非同步通訊協定提供了另一種解決方案，無需採用如此嚴格的協調機制便可實現糾纏分配，並且適用於去中心化路由的通訊協定。
非同步通訊協定分為兩類：平行(Parallel)和循序(Sequential)。圖1和圖2說明這些通訊協定如何在簡單的線性網路中執行。在平行方案中，每個中繼器將嘗試與鄰近節點產生糾纏。一旦在指定路徑上連接至兩個節點，中繼器就會執行糾纏交換；與之相對，在循序方案中，從一個終端使用者(發送者)到另一個終端使用者(接收者)的每個鏈路皆循序產生，將在建立兩個接續的鏈路之後，執行糾纏交換。
圖1 非同步通訊協定：平行方案(菱形：終端節點；圓圈：中繼器節點；圓圈內的實心圓圈：量子記憶體)
圖2 非同步通訊協定：循序方案(菱形：終端節點；圓圈：中繼器節點；圓圈內的實心圓圈：量子記憶體)
如何以循序方案完成糾纏
循序方案以簡單但有效的原則運作：量子糾纏反覆從一個節點延伸至下一個節點，在整個網路中建立一連串的糾纏節點。如前所述，此過程由發送者發起一對糾纏光子開始，並將其中一部分傳送至鄰近節點，重複此過程一直到抵達接收者端為止。與平行方案相比，這種循序漸進的方式不僅簡化了流程，也減少了整體網路中分散式路由的同步操作需求。圖3顯示如何在具有兩個使用者對的情況下，以分散式路由的逐跳(Hop-by-hop)通訊協定來實作循序方案。
圖3 基於循序通訊協定的多使用者路由範例(菱形：終端節點；圓圈：中繼器節點；圓圈內的實心圓圈：量子記憶體)
循序方案性能表現佳
廣泛的模擬結果顯示，在糾纏位元率、端到端保真度(Fidelity)和量子金鑰分配協定(QKD)的密鑰率等關鍵性能指標上，循序方案與並行方案不相上下，甚至更勝一籌。循序方案的簡單特性避免了平行方案的複雜性，使其成為真正部署時更實際的選擇。
此外，在循序方案中導入截止(Cutoff)策略相當容易，可以終止超過一定時間長度的傳輸嘗試，以防止量子狀態退化，進一步增強所建立的量子糾纏的品質。
量子網際網路的實際應用與未來展望
目前，在實際網路拓撲(如SURFnet)實作循序方案的案例已取得具備良好前景的成果。循序方案的靈活性和較低的運作需求，使其成為新興量子網際網路骨幹(Backbone)的理想候選方案。循序方案可以在多樣且動態變化的網路條件下有效運作的能力，使其成為打造未來量子通訊基礎設施的潛力選項。
隨著量子技術不斷發展，量子糾纏分配的方法勢必也將持續進階。循序方案象徵向前邁進的重要一步，該方案適應性、簡易性和性能優勢凸顯了其作為糾纏分配網路首選方法的潛力，並有望實現更加連通和安全的量子未來。
(本文作者為Cisco Research資深研究員)