面向6G时代前沿技术初探：量子信息技术2024白皮书

前言 2023年，ITU-R发布了IMT-2030框架，强调可持续性、安全性和弹性，将未连接的连接和无处不在的智能作为首要方面，作为普遍适用于所有使用场景的设计原则。在另一项关于2030年及以后IMT未来发展的建议中，ITU-R提到，与RAN相关的量子技术是一项潜在技术，可在允许通过网络实体合法交换敏感信息时确保安全性和弹性。因此，应用量子技术实现第六代（6G）及后续通信的安全性和弹性的目标变得更加明确。为此，在这份每年修订的白皮书中，我们介绍了过去一年量子信息技术（QIT）在通信、网络和计算领域应用的研究进展，并对2024年量子技术研究提出了一些预期。 第二章重点介绍量子安全通信，旨在通过应用量子机制保护关键信息。介绍从量子密钥分配（QKD）、量子随机数生成器（QRNG）和量子信息网络（QIN）方面不断进行的各种理论和实验开始，随后介绍了世界各地最先进的QKD标准化活动。对6G的影响分别介绍了在车联网上部署的量子加密演示，与G.698.4设备集成连续可变QKD(CV-QKD)，以及量子密码技术在6G网络中的部署。 第3章深入研究了如何通过应用量子计算来满足6G所期望的通信系统性能的大幅提升和创新业务的丰富多样性。首先分析了通信的计算场景和关键问题，包括信号处理、网络优化、业务处理、网络智能化等。其次，提出了具有强大计算基础的“经典+量子”混合计算平台，为不同领域提供量身定制的计算支撑服务，促进研究创新和产品落地。第三，通过三个例子介绍了量子计算对6G的影响，分别应用量子计算解决经典通信问题。 基于2023年的突破性成果，2024年或将成为量子计算技术的重要一年，由此开始量子计算领域有望从物理量子比特过渡到纠错逻辑量子比特，同时反量子密码学研究时间表也将提前。 目录 前言1 1.引言3 2.量子通信与网络5 2.1关键技术5 2.1.1量子密钥分发5 2.1.2量子随机数生成器6 2.1.3量子信息网络7 2.2量子密钥分发标准化活动8 2.2.1中国标准化进展8 2.2.2国际性标准化进展10 2.3对6G的影响13 2.3.1车联网中的量子加密13 2.3.2量子加密与承载网设备集成14 2.3.3量子通信安全14 3.量子计算16 3.1通信计算场景及关键问题16 3.1.1信号处理16 3.1.2网络优化17 3.1.3业务处理17 3.1.4网络智能化18 3.2量子混合异构计算18 3.3对6G的影响19 3.3.1单小区大规模MIMO天线优化20 3.3.2多小区大规模MIMO波束选择22 3.3.3毫米波信号相位校正24 4.未来展望27 5.致谢28 1.引言 这份每年修订的白皮书旨在介绍量子信息技术(quantuminformationtechnologies,QITs)的最新研究进展，以满足6G或后6G时代在通信和计算方面所面临的严格要求。除了QITs为通信和网络，以及计算带来的预期收益之外，本版本的白皮书还提出了对2024年量子技术研究的一些展望。 第2章量子通信与网络 第2章将重点介绍量子安全通信，它利用量子力学原理来保护关键信息安全。 2023年，以下关键技术领域取得了持续不断的理论和实验进展。量子密钥分发(quantumkeydistribution,QKD)方面，科研成果和经典量子共传输研究取得了突破，并且QKD系统的性能也得到了进一步提升。量子随机数生成器(Quantumrandomnumbergenerator,QRNG)技术正朝着更高效、更稳定的目标进行研发改进。许多实验室和研究机构开展了大量实验来验证量子信息网络(quantumInformationNetwork,QIN)的可行性和稳定性。 关于QKD的标准化活动，主要的标准化组织正积极制定相关的标准，涵盖术语定义、应用场景和需求、网络架构、设备技术要求、QKD安全、测试评估方法等各个方面。 最后，白皮书通过三个示例讨论了量子技术对6G的影响：车联网中的量子加密演示；将连续变量QKD(CV-QKD)技术与G.698.4设备集成，从而使QKD融入现有经典通信网络，充分利用现有电信基础设施；在6G网络中部署量子密码技术，实现通信系统的整体安全管理。 第3章量子计算 为了满足6G预期的大幅提升的通信系统性能和丰富多样的创新业务，第3章将深入探讨如何利用量子计算技术来增强通信能力。 首先，考虑到通信本质上是一系列的数学计算，白皮书从计算角度描述了一个分层的通信网络，以便分析通信计算场景和关键问题，包括信号处理、网络优化、业务处理和网络智能化。 其次，提出了一种“经典+量子”混合计算平台，该平台拥有强大的计算基础，可提供针对不同领域的定制化计算支持业务，促进研究创新和产品实现。值得一提的是，这种混合计算平台的架构设计遵循了模块化、标准化、广泛兼容、自主安全和智能高效的原则和理念。 第三，通过三个示例介绍了量子计算对6G的影响，这些示例分别利用量子计算来解决经典通信问题。 这三个示例包括：使用滤波变分量子算法(FilteringVariationalQuantumAlgorithm,FVQE)解决单小区大规模多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)天线优化问题；使用基于相干伊辛模型(CoherentIsingmachines,CIM)设计的量子算法解决MIMO波束选择(MIMObeamselection,MBS)问题；以及通过在终端侧应用量子支持向量机(QuantumSupportVectorMachine,QSVM)算法获得的相位偏移校正模型来解决毫米波信号相位校正问题，从而降低参考信号开销。 第4章未来展望 2023年最后一个季度，我们见证了量子领域的一个行业里程碑，即突破了1,000个量子比特的壁垒，赋予量子计算机前所未有的计算能力。与此同时，来自学术界的专家们创造了迄今为止拥有最多逻辑量子比特（即48个逻辑量子比特）的量子计算机。逻辑量子比特相较于硬件量子比特，有望显著减少量子计算机遭受的大量纠错开销。因此，2024年可能会成为量子计算技术的重要一年，届时量子计算领域预计将从物理量子比特转向纠错逻辑量子比特；与此同时，抗量子密码学研究也将加速发展。 2.量子通信与网络 2.1关键技术 2.1.1量子密钥分发 量子通信利用量子叠加态或纠缠态来实现密钥分发或信息传输，在理论上具有无条件安全性。量子密钥分发(Quantumkeydistribution,QKD)是发展最成熟的量子通信技术，其基于量子力学基本原理，并结合“一次一密”的加密方式在通信用户之间传输密钥。 2023年，围绕QKD开展了各种理论和实验，在科研成果和经典量子共传输等方面的研究取得了进展，并且QKD系统的性能进一步提升。由清华大学联合团队通过将测量互补性与量子非局域性联系起来，给出了设备无关QKD(Dcvice-independent,DI-QKD)协议的安全证明，为DIQKD的实用化提供了新的理论工具1。由澳大利亚国立大学牵头的联合团队提出了一种测量设备无关的QKD协议，该协议需要制备高维量子态并使用相干总光子数方法进行测量，仿真表明当编码在7维度状态时，它可以在比双场协议更短的距离内突破PLOB极限2。由中国电信科学技术研究院牵头的合作项目成功地在光传输网络内演示了高达1Tbps的总传输数据容量，该实验采用少模光纤在100.96公里实现共纤传输，生成为2.7kbps的安全密钥速率(securitykeyrate,SKR)3。使用固态单光子发射器进行QKD实验因其性能的快速提高和与未来量子网络的兼容性而日益受到关注。由英国赫瑞-瓦特大学牵头的联合团队使用InGaAs量子点作为单光子源进行了QKD实验，在100公里的距离和一分钟的采集时间内生成了13kbps的有限密钥4。这些研究成果有助于探索QKD应用并实现大规模QKD网络。 目前，基于QKD和其他技术方案的量子通信系统已经在国内外实现商用。然而，商用QKD系统仍面临着安全密钥速率、传输距离、设备体积和成本高等方面的挑战。制备测量方案是商用QKD的主要技术手段-，可以-分为两种类型：连续变量QKD(continuousvariableQKD,CV-QKD)和离散变量QKD(discretevariable,DV-QKD)。 CV-QKD的优势在于可以在城域距离内利用经典通信检测方案实现较高的SKR。2023年，山西大学 1https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.140801 2https://doi.org/10.1038/s41534-023-00698-5 3https://doi.org/10.1364/OL.500406 4https://doi.org/10.1038/s41467-023-39219-5 采用离散调制CV-QKD技术在80公里范围内生成了2.11Mbps的SKR5。上海交通大学利用发射端光源集成系统在50公里距离上实现了0.75Mbps的SKR6。丹麦技术大学采用接收端集成方案系统在10公里距离上实现了300Mbps的SKR7。滑铁卢大学给出了离散调制CV-QKD的有限密钥长度安全性证明，并通过实验演示了QKD传输距离可以超过72公里，密钥长度为10128。 DV-QKD实验系统也在不断发展，SKR和传输距离均取得了一定的提升。2023年，日内瓦应用物理小组利用多像素超导纳米探测器(SuperconductingNanowireSinglePhotonDetector,SNSPD)编码的时分制QKD技术，实现了10公里距离上的64MbpsSKR9。中国科学技术大学的研究团队利用多像素SNSPDs取得了双方面的突破：使用基于诱骗态BB84QKD协议10，在10公里光纤链路上实现了115.8Mbps的SKR的新纪录；采用3强度发送-不发送双场量子密钥分发协议(Sending-or-not-sendingTwin-fieldquantumkeydistribution,SNS-TF-QKD)，实现了在1002公里光纤通道上无中继的QKD。这些研究表明，当前的技术可以满足高带宽通信的加密需求，并且在长距离通信方面也具有可行性。 实现QKD产业化需要低成本、可批量生产且实用的QKD设备。从商业应用的角度来看，量子通信的核心器件，包括QKD编码器和解码器，正朝着小型化和高性价比的方向发展。中国信息通信科技集团旗下国家信息光电子创新中心研制了硅基偏振态调制器和解调器。靠着这两个模块，在150公里的距离上实现了基于量子位的时钟同步和芯片级偏振补偿，达到了866bps的SKR11。瑞士日内瓦大学和意大利光子学和纳米技术研究所的研究人员演示了一种基于芯片的QKD系统，该系统使用支持高速调制的硅基发射器芯片和铝硼硅酸盐玻璃中的偏振无关低损耗接收器芯片，在151公里的距离上实现了1.3kbps的传输12。 2.1.2量子随机数生成器 量子随机数生成器(QuantumRandomNumberGenerator,QRNG)是一种利用量子力学原理生成真随机数的器件。与传统随机数生成器不同，QRNG基于真空态噪声、激光自发辐射的量子相位噪声和光子数统计等量子光学原理生成真随机数。它是迄今为止唯一在理论上可证的真随机数生成器，利用量子力学 5https://doi.org/10.1364/OL.492082 6https://doi.org/10.1364/PRJ.473328 7https://arxiv.org/abs/2305.19642 8https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.040306 9https://doi.org/10.1038/s41566-023-01168-2 10https://doi.org/10.1038/s41566-023-01166-4 11https://doi.org/10