综述:面向量子网络的 OSI 堆栈重新设计:需求、技术、挑战及未来方向
《Sensors》:OSI Stack Redesign for Quantum Networks: Requirements, Technologies, Challenges, and Future Directions
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时间:2026年09月09日
来源:Sensors 4.0
摘要
量子通信正逐渐成为下一代网络的基础,在安全性、基于纠缠的连通性以及分布式计算等方面提供了前所未有的能力。然而,传统的开放系统互连(OSI)模型是为确定性和容错系统设计的,与退相干、概率性纠缠和不可克隆定理等量子现象不相容。本文针对7G系统的背景,对量子网络中的OSI模型进行了综述和重新定义。我们提出了一种量子融合OSI栈,通过在经典七层模型基础上扩展两个附加层来实现:(i)第0层——量子基底层,负责纠缠管理、相干性保持和量子隐形传态;以及(ii)第8层——认知意图面,通过AI和量子机器学习(QML)驱动的编排实现智能管理。本综述综合了2018年至2025年间发表的超过150篇研究工作,按OSI层、使能技术(如量子密钥分发、量子纠错和后量子密码学)以及应用领域(如卫星量子链路、量子物联网和联邦边缘系统)进行分类。我们进一步提供了跨层使能技术的分类体系,并讨论了包括NetSquid、QuNetSim和QuISP在内的模拟工具。最后,本文引入了一套包含量子原生指标的评估框架,如熵吞吐量、相干延迟和纠缠保真度,并探讨了可编程栈、数字孪生和AI定义量子代理等开放挑战。本工作的具体创新贡献在于提出了一种量子融合OSI栈,在经典七层模型基础上扩展了两个附加层:第0层量子基底层负责纠缠管理、相干性保持和量子隐形传态,第8层认知意图面实现了AI和QML驱动的编排。与以往以技术为中心的综述不同,本框架按OSI层对超过150篇研究工作进行分类,将使能技术(QKD、QEC、PQC)和应用领域(卫星量子链路、量子物联网、联邦边缘系统)映射到相应的功能层,并引入了基于熵吞吐量、相干延迟和纠缠保真度的量子原生评估框架。这种分层解析的综合,连同跨层量子原生指标的正式定义,构成本综述区别于现有量子网络综述的主要创新之处。
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