全异构量子网络：迈向下一代量子互联网的制备-测量新范式

《Nature Communications》：Fully heterogeneous prepare-and-measure quantum network for the next stage of quantum internet

本刊推荐：为解决当前量子网络设备专用、任务单一、缺乏灵活性问题，研究团队开展了全异构制备-测量量子网络研究，通过自由度转换器、联合贝尔态测量等技术创新，实现了多协议（BB84/MDI）、多任务（QKD/QDS/QBA/量子会议）的动态切换，并首次演示了多恶意节点量子拜占庭协议。该工作为量子互联网从可信中继阶段向无信任中继阶段演进提供了关键技术路径。

　　

在经典互联网深刻改变人类社会的今天，量子互联网的构想正引领着新一轮信息革命。量子通信技术能够提供经典通信无法实现的无条件安全性，例如量子密钥分发（QKD）允许两个远程用户共享信息论安全的密钥。然而，现有量子网络大多采用专用设备构建，用户必须使用匹配的系统和编码自由度（DoF）才能通信，这种"同质化"设计严重制约了量子互联网的开放性和扩展性。更关键的是，当前网络多专注于单一量子任务，难以支持量子数字签名（QDS）、量子拜占庭协议（QBA）等多样化应用，且需要可信中继节点，无法实现真正的端到端安全。

为了解决这些挑战，中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了题为"全异构制备-测量量子网络"的研究成果，提出了一个突破性的网络架构。他们设计并实验验证了一个完全异构的量子网络，允许用户使用任意主流量子系统（偏振、时间-相位、相位等编码方式）接入网络，并动态切换不同的量子协议和任务，真正实现了"量子设备即插即用"的愿景。

研究团队采用了三项核心技术方法：首先是自由度转换器技术，通过光学路径延迟和偏振-路径转换，实现了不同编码自由度（如偏振Pol.、时间-相位T.B.P.、相位Pha.）之间的高保真转换；其次是联合贝尔态测量（Joint-BSM）技术，允许多个探测节点协同完成贝尔态测量，支持测量设备无关（MDI）协议；第三是软件定义制备-测量量子网络（SD-P&M-QN）架构，通过集中控制器实现资源调度和协议优化。实验基于五节点异构网络（四个源节点各持不同编码系统，一个探测节点配备偏振测量单元），验证了多种量子任务的执行。

完全异构组网

研究团队将网络节点分为三种基本类型：弱相干源节点（C-type）、纠缠源节点（E-type）和单光子探测节点（D-type）。通过协议选择表明确了任意两类节点间的通信方式，例如C-type与D-type节点采用制备-测量型协议（如BB84），而两个C-type节点则通过D-type节点的辅助执行MDI-QKD协议。网络拓扑采用非全连接设计，用户节点通过服务器连接，服务器提供路由、自由度转换等基础设施，而无需引入额外的安全假设。

实验设置

实验网络包含五个异构节点：David（D-type，偏振测量单元）和四个C-type节点（Alice偏振编码、Bob时间-相位编码、Charlie法拉第-迈克尔逊干涉仪编码、Frank相位编码）。每个源节点包含脉冲生成、编码和适配三个模块，其中适配模块集成了自由度转换器。实验采用被动式自由度转换器，通过偏振分束器（PBS）和路径延迟实现偏振与时间-相位状态的相互转换，转换损耗约为3dB。

实验结果

量子密钥分发实验验证了所有节点对的通信能力。D-type与C-type节点间采用BB84协议，C-type节点间采用MDI-QKD协议。例如Alice-David通过偏振BB84在35.3km距离上获得了5.90×10⁶比特密钥，而Alice-Bob通过偏振MDI-QKD在64.6km距离上获得了3.94×10⁵比特密钥。特别值得注意的是，Bob-Charlie直接采用时间-相位编码进行MDI-QKD，避免了自由度转换损耗。

量子数字签名演示了两个电子商务场景。第一个场景使用非完美密钥（误差校正后但未经过隐私放大的密钥），Alice从商家David购买商品，Bob作为第三方验证，签名速率达3545次/秒。第二个场景使用完美密钥，Alice与Charlie交易，Frank作为第三方，签名速率为5.34次/秒，展示了不同安全等级下的签名能力。

量子拜占庭协议实验实现了重大突破，首次演示了多恶意节点条件下的量子共识。在第一个案例中，诚实发起者Alice尝试记录交易，而Charlie和Frank作为恶意节点试图破坏共识；第二个案例中，Alice作为恶意发起者与Bob合谋欺骗。实验完成了深度为2的五节点QBA，包含72轮QDS，验证了量子解决方案超越经典1/3容错界限的安全性。

量子会议通过QKD密钥传递实现，David作为会议发起者生成了10kbit量子随机数，分别使用与四个节点的预共享密钥进行一次一密加密，各参与者解密后获得共同的会议密钥，实现了多方的安全通信。

讨论与结论

该研究提出的全异构量子网络在硬件和软件层面均实现了突破性创新。硬件层面，自由度转换器和联合贝尔态测量技术支持不同系统的互操作；软件层面，SD-P&M-QN架构通过"编排核心"实现协议选择、参数优化和资源调度。实验验证的网络具备灵活性、敏捷性、可优化性和成本效益等多重优势：灵活性体现在支持动态协议切换；敏捷性表现为应对潜在攻击时可快速切换安全核心；可优化性源于集中控制器的全局视角；成本效益则来自对现有量子通信设施的兼容性。

这项工作为量子互联网从可信中继阶段向制备-测量阶段演进提供了关键技术路径，其意义堪比1969年ARPANET发送第一条消息的里程碑事件。随着量子中继技术的成熟，该架构可进一步升级至量子中继网络阶段，最终实现全球量子互联网的宏伟愿景。网络扩展方面，研究团队提出了将邻近节点组织为局域量子网络（LAQNs），再互联成广域量子网络（WAQN）的可行方案，为大规模部署奠定了基础。