综述：混合经典-量子通信网络

本综述系统探讨了混合经典-量子通信网络的前沿进展，重点聚焦量子密钥分发（QKD）、量子中继器（QR）等关键技术。文章详细分析了在现有光波网络中集成量子通信协议（如WDM、SDM）的可行性，并展望了未来异构网络（支持TCP/IP与量子协议栈）在分布式量子计算和量子传感领域的应用潜力。推荐给光通信、量子信息及网络工程领域的研究者参考。

　　

混合经典-量子通信网络的融合之路

引言：从经典光通信到量子网络

过去半个世纪，全球经典光通信网络深刻改变了人类社会。与此同时，量子网络作为新兴领域，在分布式量子计算、量子传感器网络和安全通信方面展现出巨大潜力。一个根本性问题随之产生：我们能否利用广泛存在的经典光纤基础设施构建混合量子-经典网络？本文旨在全面回顾将量子密钥分发（QKD）等量子通信协议集成到现有光波网络的研究努力，这种共享光纤和网络资源的方案是近期最实用的解决方案。

经典与量子网络的基础原理

经典光纤网络基础

经典光通信系统由发射机、接收机和通信信道三大组件构成。现代系统采用窄带光源和相干检测方案，通过波长分割多路复用（WDM）技术实现多用户支持。光纤损耗管理通过掺铒光纤放大器（EDFA）实现，其噪声系数（NF）理论最小值为3 dB。色散管理则采用非零色散光纤（NZDF）平衡整体色散，抑制四波混频（FWM）等非线性效应。弹性光网络（Flex-grid）通过波长选择开关（WSS）实现可编程带宽分配，空间分割多路复用（SDM）则通过多芯光纤进一步提升容量。

量子通信基础概念

量子通信的核心单元是量子比特（qubit），其不可克隆特性限制了经典放大器和中继器的使用。量子通信协议分为离散变量（DV）和连续变量（CV）两类，前者基于单光子探测，后者采用光学零差检测。量子中继器（QR）技术经历三代发展：第一代基于纠缠生成（HEG）和纯化（HEP），第二代和第三代采用量子纠错（QEC）技术。尽管实验进展滞后于理论，但量子中继器技术已为设备无关量子密钥分发（DI-QKD）等近应用奠定基础。

近端应用：量子密钥分发

量子密钥分发（QKD）是当前最实用的量子网络应用。BB84协议使用非正交量子态编码随机数，结合诱骗态方案可实现安全密钥分发。测量设备无关（MDI）QKD消除了探测器侧信道攻击，双场（TF）QKD和模式配对（MP）QKD将密钥率从线性提升至信道透射率的平方根缩放。QKD网络已从点对点链接发展到城域（QMAN）和广域（QWAN）规模，中国实现了4600公里（含卫星扩展）的密钥分发。

量子通信网络架构

真正的量子网络需支持多于两个用户。波分复用（WDM）技术通过频率纠缠光子分配资源，波长选择开关（WSS）实现动态带宽分配。软件定义网络（SDN）将控制平面与数据平面分离，为量子-经典混合网络提供管理框架。白兔（White Rabbit）协议提供ps级同步精度，支持多节点时间同步。包交换和量子可重构光分插复用器（q-ROADM）概念为未来量子互联网提供架构基础。

量子通信在经典光纤网络中的集成

量子-经典信号共存

量子信号与经典信号在相同光纤中共存的主要挑战是拉曼散射噪声。CV-QKD凭借本振（LO）的模式选择特性可有效抑制噪声，O波段量子信号与C波段经典信号的组合是最常见方案。空心嵌套无节点反谐振光纤（HC-NANF）具有低非线性和超宽带宽特性，在量子-经典共存实验中展现出优势。

量子不兼容设备与解决方案

光学放大器产生的放大自发辐射（ASE）噪声会严重影响量子信道。解决方案包括绕过不兼容设备、开发混合网络组件等。量子频率转换器实现不同物理系统间的相干转换，为物质量子比特与电信光纤基础设施集成提供关键接口。

经典与量子信息的同步传输

CV-QKD与经典相干通信在硬件和信号处理方面高度相似。新兴协议将随机QKD信号叠加到强经典信息信号上，通过数字减除技术提取量子信号。这种方案具有隐蔽通信特性，且支持同时进行经典通信和QKD。

超越物理层的网络集成

量子递归网络架构、图态建立等量子协议栈方案被提出，并与SDN架构结合。橡树岭国家实验室（ORNL）量子局域网（QLAN）演示了偏振-频率超纠缠光子分配、远程态制备（RSP）等应用，展示了量子网络在盲量子计算等领域的潜力。

量子网络演示进展

从日内瓦、维也纳到合肥、橡树岭，全球多个测试平台实现了部署光纤中的纠缠分发。偏振纠缠分发达到248公里距离，时间-bin纠缠传输达50公里，离子-离子纠缠在520米距离实现。三节点网络演示包括远程态制备、量子数字签名等应用，六节点网络实现完全连接纠缠分布。

循环提升：量子技术反哺经典通信

量子网络需求推动的低损耗光学元件（如HC-NANF）可降低经典通信的放大需求，提高能效。纠缠辅助通信（EACOMM）如超密编码可提升经典通信速率，甚至突破Holevo-Schumacher-Westmoreland（HSW）界限。量子频率处理器（QFP）等量子光学处理技术为经典全光信号处理提供新方案，实现波长转换和广播功能。

展望：走向异构量子-经典互联网

未来互联网将是支持经典和量子通信的异构网络。量子互联网将推动纠缠光子源、量子存储和量子中继器等尖端技术发展，同时促进低噪声光学接收器、超低损耗存储等光学技术进步，最终实现全光网络等新型通信模式。这种融合架构将为分布式量子计算、量子传感和安全通信提供强大基础平台。