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《量子信息网络》

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《量子信息网络》2024年4月由国防工业出版社出版，作者为军事科学院郭凯高级工程师和国防科技大学前沿交叉学科学院刘博副研究员。时值全球量子科技竞争日益激烈之际，这部全面阐述量子信息网络的基本概念、体系架构、关键技术与应用前景的学术专著面世，无疑具有重要的理论价值与实践指导意义。作为量子科技领域的重要学术成果，该书系统阐述了量子信息网络理论与技术体系，展现了我国在该领域的新近研究成果，值得社会大众与相关从业人员深入研读。

1900年，物理学家大都认为，经典物理学已经非常完美，除了漂浮的“两朵乌云”——“迈克尔逊-莫雷实验”和“瑞利-金斯紫外灾变”外。后续科学家们对这“两朵乌云”的探索，催生了当今世界两大重要基础理论——相对论和量子力学。在之后的100多年时间里，量子科技先后历经了两次重大变革。量子科技的第一次变革以微观粒子系统量子效应的被动观测为特征，催生了核能源、激光、二极管等一系列革命性技术，实现了核能发电、激光加工、集成电路、全球定位导航系统等多种应用，带来了手机、电脑、互联网等改变现代生活的科技产品。第二次变革则以主动操控与应用量子体系为核心，更是将量子力学的各种特性，特别是量子叠加和纠缠等效应，应用在量子计算机、量子算法、量子传感器、量子通信系统等高科技中，正对传感测量、通信密码、导航定位、超级计算机软硬件体系产生并将持续产生颠覆性影响，进一步提升信息技术的应用潜力，进而开辟了未来量子科技的新疆界。

2018年以来，发达国家纷纷发布量子信息网络或量子互联网络的相关发展战略，量子信息网络遂成为大国竞争的战略科技制高点。在这一时代背景下，单一量子设备的性能突破已不足以满足未来体系化、智能化、泛在化、安全可靠的信息基础设施的需求，诚如本书作者在“前言”中所言：“当这种物理效应层面的增量想要成体系运行时，就需要把各种运用了量子信息技术的分立设备组建成庞大的复杂系统，量子信息网络便应运而生。”

量子信息网络的概念兼具传统性与超前性。“传统”在于其体系架构与经典信息网络的逻辑相通，“超前”则体现在底层“量子比特”的特殊量子运行逻辑现阶段还难以明确界定设备形态与业务边界。为此，作者在书中把量子信息技术除定义为“通过对量子体系的观测、操控和应用，实现信息获取、加工、存储、变换、显示、传输功能的各种技术的总称”外，还创造性地对其进行了“狭义”和“广义”的双重定义，使得这个概念具有了足够的发展弹性，能够与时俱进。在作者看来，量子信息技术的狭义理解局限于“实现量子态获取、加工、存储、变换、显示和传输功能的各种技术的总称”，广义理解则可拓展为“通过量子态的获取、加工、存储、变换、显示和传输，实现人类信息器官功能扩展的各种技术的总称”。

相应地，综合考虑量子信息技术运用于节点、链路、对象、联系等各方面后网络形态产生的变化，《量子信息网络》一书将量子信息网络的定义归纳为3类。定义一：由若干量子信息设备和连接这些量子信息设备的链路构成，强调终端设备的运行规律服从量子物理学；定义二：由若干设备和连接这些设备的量子信息链路构成，强调信息链路的运行规律服从量子物理学；定义三：由若干量子信息设备和连接这些量子信息设备的量子信息链路构成，强调终端设备与信息链路的运行规律均服从量子物理学。作者认为，“上述3种定义将量子通信、量子计算、量子精密测量3个量子信息技术分支囊括在了一张量子信息网络中。”

近年来，我国在量子通信、量子计算等领域已取得诸多突破性成果：2016年，发射“墨子”号量子科学实验卫星，“天宫”二号搭载量子密钥分发载荷；2017年，“京-沪量子干线”全线开通；2021年，中国科学技术大学开展了天地一体量子密钥分发网络集成验证……但是，有关量子信息网络的理论体系、技术标准与应用模式仍缺乏系统性梳理，《量子信息网络》的出版力图填补这方面的空白，为我国在全球量子科技竞争中抢占先机提供重要的理论支撑与实践参考。

《量子信息网络》全书共8章，遵循“基础理论-架构设计-业务应用-发展展望”的逻辑脉络写作，构建了比较完整的量子信息网络知识体系，内容编排层层递进、详略得当，既涵盖核心概念，又深入关键技术。作者希望通过引入“量子信息网络”这一新型概念，将量子通信、量子导航、量子传感、量子计算的各种设备集合为多节点综合信息系统。

第1章“绪论”为全书奠定理论基础，作者从量子信息技术的定义辨析入手，明确了其狭义与广义的内涵，指出两者的“核心区别在于‘量子信息’的概念边界”。这种区分揭示了量子信息技术从实验室走向工程应用的本质，同时厘清了量子信息网络与其他量子技术的核心差异——是否存在若干量子信息设备或链路？是否体现多设备的相互联系？在这一章中，作者提出的3类量子信息网络定义，将量子通信、量子计算、量子精密测量等分支纳入统一框架，为后续讨论奠定了坚实基础。

在第2章“量子信息网络基本架构”中，作者在回顾经典网络数据交换、协议栈、软件定义网络等核心思想的基础上，创新性地提出了“三层一系统”的体系架构。“三层”即基础传输层、网络承载层和应用服务层，其中基础传输层提供末端接入硬件支撑，网络承载层实现量子态传输与路由互联，应用服务层支撑各类业务运行。“一系统”即运维管理系统，重点对全网进行全面管控。这种架构设计具有兼容性与前瞻性特点，既吸收了经典网络的成熟经验，又充分考虑量子信道的特殊性，提出的“功能定义拓扑”组织模式，可实现“一网多应用”的资源共享和并行运转，为量子信息网络的标准化和工程化提供了重要参考。此外，本章还梳理了城域、城际、卫星中继、机动4类量子信息网络的发展历程，展现了量子信息网络从地面到空间、从固定到机动的全场景覆盖思路。

第3~8章是全书的核心内容，作者分别对量子密钥分发、量子直接通信、量子时间同步、量子导航与定位、分布式量子传感、分布式量子计算六大典型业务进行了系统阐述，每章均涵盖基础理论、发展历程、传输协议、关键技术与最新进展，形成了完整的业务知识体系。

作为目前最成熟的量子通信技术，第3章“量子密钥分发”详细梳理了从BB84协议到双场协议的发展脉络，分析了诱骗态技术、测量设备无关协议等关键创新，展现了我国在量子密钥分发技术领域从跟跑、并跑再到领跑的3个主要发展阶段，以及取得的标志性成果。

作为我国科学家原创的技术路线，第4章“量子直接通信”突出了其“无需预分发密钥、直接传输信息”的独特优势，从高效协议、DL04协议到测量设备无关协议，全面呈现了我国科技工作者从理论到实践的技术发展路径，其中100 km光纤传输的突破标志着该技术开始迈向实用化。

第5章“量子时间同步”和第6章“量子导航定位”聚焦时空基准构建，前者利用频率纠缠源实现高精度时间同步，后者结合核磁共振陀螺、光力加速度计等核心器件，为网络提供安全可靠的时空基准，对保障网络抗干扰能力与覆盖范围具有重要意义。

第7章“分布式量子传感”与第8章“分布式量子计算”则展现了量子网络的协同优势。前者通过量子纠缠网络突破单点传感局限，实现多参数、高精度非局域测量；后者展望了量子网络的终极形态，通过整合分散算力，实现经典计算无法企及的运算能力。

《量子信息网络》全书贯穿对量子信息网络发展历程的梳理，提出了量子信息网络“四阶段演进”模型——1.0版为量子信息设备经典组网（量子信息网络定义一），1.5版为经典信息设备量子组网（量子信息网络定义二），2.0版为量子信息设备量子组网（量子信息网络定义三），3.0版则为量子互联网，并由此清晰地展现了量子信息网络从简单到复杂、从单一功能到多功能的发展路径。在分析量子信息网络各阶段技术特征与核心任务的同时，作者也客观指出了量子信息网络目前所面临的挑战，例如，量子存储寿命、纠缠分发距离与速率、量子-经典协同处理等有待解决的问题，为后续研究者指明了攻关方向。

与其他同类图书相比，《量子信息网络》具有鲜明的特色，并主要体现在以下4个方面。一是系统性强：首次将量子通信、量子计算、量子传感、量子导航等分散技术整合为统一的网络体系，构建了“概念-架构-业务-应用”的完整知识框架，填补了该领域这方面的空白。二是创新性比较突出：提出了“三层一系统”体系架构和“量子态资源共享、多业务平行运转”应用模式，界定了量子信息网络的3类定义与“四阶段演进”路径，这些观点都具有原创性和前瞻性。三是注重理论与实践结合：全书既深入阐述了量子力学基本原理、协议设计等理论内容，又详细介绍了“墨子”号卫星、“京-沪量子干线”等工程实践，收录了大量最新研究成果和技术参数。四是兼收中外最新研究成果：既系统展现我国在量子信息领域的重大突破，又比较全面介绍国际最新研究进展，为读者提供全球化视野。

《量子信息网络》一书理论部分深入浅出、通俗易懂，可以作为量子信息、计算机、电子、物理、网络等专业的学术参考用书，也适合于国防工业和民用领域具有量子计算、量子通信和量子测量等研究和应用背景的科研人员、工程技术人员和高校学生参考、借鉴。

郭凯高级工程师长期从事量子信息技术及其应用研究，已在《物理评论快报》《光：科学与应用》《激光与光子学评论》等世界名刊上发表论文30余篇；刘博副研究员主要从事量子纠缠分发网络及其应用研究，曾访学奥地利科学院，已在《自然》《npj量子信息》等世界名刊发表论文50余篇。两人均为量子信息网络领域专家，他们凭借深厚的学术积累和丰富的实践经验，成功将复杂的量子理论与网络技术融会贯通，对于非本专业领域的读者来说，《量子信息网络》提供了一把理解量子信息网络的灵巧“钥匙”。

阅读《量子信息网络》一书，多有感慨，有感于斯，谨填《破阵子》词一首，以表情怀。

量子信息组网，光纤通信巡疆。科技高新民受益，成果丰盈国富强。宏篇谱锦章。

密钥分发可靠，直接输送安详。破阵勇攀星汉远，探索欣行研路长。攻关赖栋梁。

END

关于本刊

《前瞻科技》是由中国科学技术协会主管，科技导报社主办、出版的科技智库型自然科学综合类学术期刊，于2022年创刊。

办刊宗旨：紧扣国家科技创新需求，联合全国学会和科技智库机构，汇聚战略科学家、主流智库学者，通过提供战略性、前瞻性、权威性的思想观点和政策建议，为科技管理者和科研管理者供给高质量决策参考。

常设栏目有“前瞻”“综述与述评”“聚焦”“论坛”“文化”“书评”等，其中“前瞻”“综述与述评”为固定栏目，其他为非固定栏目。