量子互联网的数据包路由

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摘要

我们针对正在兴起的量子互联网提出了一种新的量子数据包路由设计，重点展示了互联网协议第六版（IPv6）中一个鲜少使用的特性——即扩展头部——如何在IP层中引入显著的量子性。采用对已有标准进行最小化修改的方案，我们概述了为实现量子隐形传态、量子路由以及这些过程的叠加态所必需的改动。与量子互联网中其他路由方案相比，我们提出的架构能够容纳量子力学所允许的更广泛的结果。我们并不声称该设计具有最优性，而是提供了一条通过对当前IPv6进行少量补充来调用新的量子路由结果的途径。

I 引言

正在兴起的量子互联网中的数据包路由可以通过经典互联网上完全不可能的量子过程来实现。其中最重要的是量子隐形传态和量子路由——即通过网络中路由的量子叠加态。¹ 在本工作中，我们在开放系统互联（OSI）模型[49]的背景下，引入了一种修改后的互联网协议（IP）数据包格式，该格式能够无缝地支持量子隐形传态、量子路由，以及这两种量子过程的叠加态。

支撑经典互联网路由的数据包交换规程是在20世纪70年代左右设计的。为了寻找一种能够承受通信网络中重大中断的手段，提出了无需集中控制的数据包交换方案[9]。随后，经典互联网诞生并扩展为包含万维网，这是一个远超任何人最初想象的复杂通信系统。通过IP的路由至今仍是该网络的关键组成部分[17]。

正如经典互联网的情况一样，我们预测量子互联网也将演进并带来目前尚未想象到的新通信场景。因此，为这一新互联网开发的操作协议必须容纳量子力学所允许的所有可能性。

我们在此试图回答的问题很简单。如果我们基于OSI互联网设计采用分层方法，那么要容纳量子隐形传态、量子路由及其叠加态，最少需要添加什么？这是当前希望在向后兼容经典基础设施的同时逐步过渡到量子网络的运营商所面临的现实问题。我们通过建立在经典网络中极为成功的IP数据包格式之上，并以IPv6[13]为起点来回答这一问题。

II 相关工作

需要澄清的是，我们并不声称我们的方法是量子数据包路由的最优前进方向。事实上，关于为什么不应遵循基于经典互联网设计的传统分层方法，已有反对意见[22, 7, 8, 38, 6, 23]。在[22]中，可扩展性问题首次被提出，作为反对为量子网络维持分层方法的论据。在[7]中，引入了原生量子路由的概念，其中数据包头信息变成量子化的，这与由纠缠定义的控制器相结合，可以实现可扩展的量子控制操作[8]。在[38]中，提出了一种以资源为中心的任务型方案，其中发起服务需求的节点创建一个分布式工作流。[6]的工作指出了资源中心型方案所需的全局协调性，这使得实现具有挑战性，并转而提出了一种新的架构，以包含服务信息的带内控制的数据包为中心。在[6]的架构中，提供了一条通向可扩展性的路径——当数据包穿越网络时，后续节点仅构建局部动作。在[23]中，提出了路由器内基于纠缠的交换结构的概念，从而提供了一种与硬件无关的解决方案。

尽管有上述评论，其他研究人员也考虑了量子网络的分层方法，[37, 32, 12, 27]是众多显著例子中的一部分。在[37]中，提出了一种新的4层量子网络协议栈；而在[32]中，为分层方法中的量子中继器网络提供了一种系统设计。在[12]中，在分层方法中为量子网络提出了链路层协议；在[27]中，提出了量子数据平面协议，为分层量子网络提供了构建模块。其他工作则专门关注分层方法中的数据包交换架构[15, 31, 47, 35]。在[15]中，提出了一种特定的帧结构，而在[31]中，研究了数据包交换框架中的量子密钥分发（QKD）。在[47]中，为控制和管理引入了“量子封装网络”的概念，[35]则提供了该概念的实验演示。此前的一些研究完全集中于纠缠分发的管理，这是未来量子网络的一个关键特征（但并非所有通信场景都需要的特征）。这些研究中许多主要描述了链路层的功能，而没有讨论与其他层之间的交互[39, 3]。

然而，上述工作中没有一项聚焦于我们在此考虑的基于量子路由的可能性，尤其是在IPv6的背景下。我们提出的架构是在分层方法中首次尝试纳入量子路由以及该过程与其他量子过程的叠加态。

我们的研究是及时的：基于量子与经典数据时间同步的量子数据包传输（我们假设用于直接传输的模型）的实验实现最近已经完成[48]；并且我们研究中所用到的量子力学的技术阐述已经成熟，即量子隐形传态[4, 21]、量子路由[34, 19, 29, 44]以及一般的量子过程叠加态[33]。关于所假设的量子过程的技术细节，读者可直接参考这些文献（及其中的参考文献）。

尽管我们将利用IPv6扩展头部来在量子域中调用新的路由层特性，但类似的想法先前也已在纯经典域中使用过。一个很好的例子是[40]的工作，其中扩展头部被用于增强路由层的数据主权。关于读取（和丢弃）IPv6扩展头部所带来的安全问题，在[20]中进行了讨论。关于IPv6中基本头部和扩展头部之间的结构和相互作用的更详尽解释，读者可参考[40, 20]。

III 系统模型

图1：系统模型。一个需要IP路由的典型系统设置。卫星S1希望通过节点A和B将量子信息传输到节点C。这里，第二颗卫星S2发送经典数据（头部信息），这些数据被同步以在来自S1的量子信息之前到达节点A（S1也发送经典信息的系统也是可能的）。节点D也可能被使用，因为量子力学允许路径ABC和ADC的叠加态。网络被假定为完美同步的。

为使阐述清晰，我们将采用图1所示的系统模型，其中一颗卫星S1将量子态发送到地球上的路由器（节点）C，但经由路由器A和B传递以到达C。我们注意到，一般而言，S1和S2不必是卫星，我们的系统也可以很容易地适配于纯光纤系统、地面自由空间系统或它们的某种组合。然而，天基量子通信现已成为现实，我们预计此类通信将在新兴的量子互联网中发挥关键作用[30]。

III-A 假设

我们关注的是量子化IP协议栈中IP层（也称为网络层或简称为第3层）所使用的IP头部信息，如图2所示。² 为简化阐述，我们在系统模型中采用以下假设。

III-B IPv6头部

图2：量子IP协议栈。对于直接传输，来自IPv6基本头部和扩展头部的经典数据被同步，使得经典数据在量子数据之前恰好到达下一路由器的物理层。量子数据随后被存储在存储器中，同时经典数据向上传播通过协议栈到达IP层（隐形传态涉及不同的传输策略）。如果目的地址与该路由器匹配，封装的TCP/UDP数据被传播到传输层。图中显示的是按照标准[13]的IPv6数据包中的标准字段。这里，OSI模型的顶层三层被封装到应用层中。这个5层协议栈也称为TCP/IP模型。对于隐形传态，量子数据被额外的经典数据所替代。

IPv6基本头部是图2中所示的前四行数据。这些数据是非可选的；它始终存在于IPv6数据包中。基本头部长40个八位组，随后是扩展头部。基本头部和扩展头部中的组合信息之后是上层协议数据单元（PDU）形式的数据。PDU包含上层协议头部及其有效载荷，可以是传输控制协议（TCP）或用户数据报协议（UDP）数据包。在IPv6中，扩展头部加上上层PDU被视为数据包的有效载荷。

基本头部中的大多数字段都是不言自明的（详见[13]），在此我们仅讨论其中一部分。一个字段涉及称为区分服务的服务质量范式，出于我们的目的，我们假设所有数据包具有相同的服务。流（Flow）字段很重要，因为它允许不同的数据包被分配到相同的“流”中。这并不意味着IPv6将强制同一流中的所有数据包经过完全相同的路径，但它允许诸如重排序等处理。我们将从给定源到给定目的地的所有数据包标记为相同的流标识符。跳数限制（Hop Limit）字段在避免环路方面始终很重要（见后面的讨论）。

基本头部中的“下一个头部”（Next Header）字段（8位）指示接下来发生什么。如果它指向一个已知协议（如TCP的6），则路由器知道没有需要读取的扩展头部。如果它指向一个已知的（标准化的）扩展头部字段，则路由器知道要读取该新头部并对其采取行动。

鉴于我们系统模型中所嵌入的假设，仅由基本头部（但带有量子有效载荷）组成的IPv6头部应允许量子态经由单一路径从源到目的地直接传输，只需对网络进行最轻微的修改。这就提出了一个问题：是否存在任何情况，使得仅包含基本头部的IPv6头部无法轻松容纳量子信息的路由？这个问题的答案是明确的：是的。路由路径的叠加态就是一个明显的例子。

光子可以同时处于两条不同路径上这一事实带来了许多否则无法实现的好处，包括提高的量子信息吞吐量[19, 10]、使用单个粒子的双向通信[14]、使用可分离态的隐形传态[33]、访问存储在不同位置叠加态中的量子信息[18]，以及原则上通过无限长通信信道进行通信的能力[28]。为了在IPv6框架内获得这些非直观的量子优势，我们需要新的扩展头部。⁹

扩展头部具有“下一个头部”字段（8位）、“头部扩展长度”字段（8位），然后是一个包含数据的字段（可变长度）。后一个字段包含的数据根据具体的扩展头部而不同，但与允许设置特定指令的信息相关（在某些头部中也称为“选项”）。这些数据的结构以及任何填充都必须为每个扩展头部定义，指示字段的长度以及这些字段到特定指令的映射。如上所述，扩展头部配置其自己的下一个头部字段，并且该链持续下去，直到某个扩展头部指向诸如TCP或UDP之类的已知传输协议。

许多纯经典域中的扩展头部已经被标准化，尽管当前许多路由器并未使用它们[20]。这些包括逐跳头部（字段值0）和路由头部（字段值43）[24]。在本工作中，最重要的头部之一是逐跳扩展头部。该头部强制路径上的每个路由器读取指令数据，这有助于辅助路由器以非经典方式行为。该头部使用类型-长度-值（TLV）编码将选项位映射到特定指令。关于纯经典域中扩展头部使用的更多细节，读者可参考[13]。

社区中有些人认为IPv6扩展头部是原始IPv6协议唯一的“设计缺陷”。最初它们被设计为附加功能的载体（这些功能将由未来的研究发现），而无需引入全新的协议，但25年的使用表明扩展头部大多只具有小众价值。事实上，互联网上的大多数路由器会简单地忽略它们。情况已经发展到在一些在线博客中，出现了弃用它们的论点。然而，在这里我们主张在混合经典-量子网络的背景下继续使用IPv6扩展头部。通过它们，许多信息传输中的量子专属方面可以从略微修改的IPv6网络中得以保留。

IV 量子扩展头部

在IPv6中实现量子力学效应并没有确定的路径。一种路径是在逐跳扩展头部内定义新的选项字段。然后需要由互联网工程任务组（IETF）对这个修改后的头部进行标准化，并在互联网号码分配机构（IANA）注册。类似地，当前的路由扩展头部也可以被修改和标准化。然而，我们应该警告有志于设计的人：当前扩展头部的顺序必须按照标准[13]强制执行。除此之外，可以提出并标准化全新的“量子扩展”头部——我们在此遵循这条路径。这些头部将全部是经典的，而量子数据如前所述分开传输。

我们的新头部将具有与经典域中扩展头部类似的格式；第一个字段将是下一个头部（8位），第二个字段是头部扩展长度（8位）。这将包括数据字段的长度（可变长度）和包含量子信息的脉冲数量，以便路由器知道当前量子数据包何时结束。数据字段将是设计新数据（指令集或到指令集的映射）的地方。该指令集可以通过软件通知路由器执行特定指令，或通知路由器触发某些嵌入式硬件。在下文中，我们重点关注该数据字段的结构，同时记住同样的结构也可以设想为当前扩展头部内的新指令集。

在讨论量子域的新IPv6扩展头部时，我们将为我们指定的第一个头部提供一些详细的规范，并在后续章节中仅突出其他头部的主要概念问题。我们的目的是强调新的IPv6扩展头部在新兴量子互联网中可能发挥的广泛作用，而我们提供的任何具体格式都应被视为建议性的而非确定性的。本着这种精神，我们不明确地说明任何定长字段的大小，也不说明用于指定指令集或选项的填充和编码的结构和形式。这种详细程度将需要社区的广泛参与以及随后的严格标准化过程。

如何最好地为IPv6构建一个新的扩展头部，以容纳尽可能多的非经典行为，这成为一个设计问题。在下文中，任何字段都不应在没有意义的情况下使用（例如，量子过程叠加中的发送时间字段）。

IV-A 量子路由

这些新头部出现的顺序将是重要的。如我们后面所述，支持路径叠加的头部在大多数情况下应出现在支持隐形传态的头部之前。因此，我们首先讨论前者，将其称为“量子路由”头部。该新头部的数据字段的建议设计如图3所示。我们关注需要定义的宽泛子字段，同时记住详细结构和任何附加子字段的包含将留待标准化提交阶段。注意，量子路由头部必须涵盖无数场景。因此，此类头部的设计需要一组最低限度的基本规则，这些规则优于任何字段的任何设置。其中最重要的是，任何路径上的任何路由器的任何动作都不得破坏所请求的任何路径叠加态。¹⁰ 建议的子字段如下。

图3：量子路由头部。一种提议的新IPv6扩展头部，允许各种路径叠加结果。

类型（TY）字段：此字段指示量子有效载荷中的数据类型，DV（及其维度）、CV或某种混合组合。它还可以规定数据是否纠缠（如果已知）。我们将类型设置设为数字1，表示维度为二的DV态。¹¹

发送时间（TS）字段：路由器使用此字段标记它接收（X）和发送（Y）量子数据包的时间，加上增量δ。非零δ表示下一个路由器在发送前应持有量子数据包的时间。假定网络上的所有路由器都与某个全局参考同步（时间单位为皮秒）。图4(a)所示的格式应由发送量子数据包的路由器遵循。所示的具体值表示当前路由器在时间X接收此数据包并在时间Y发送该数据包，并期望下一个路由器在重新发送之前将量子信息存储500个时间单位。默认情况下，此字段中的所有数据最初设置为-1,-1,-1，这意味着路由器不对此字段采取行动（也不更新）。如果要使用它，初始值应设置为t, 0, δ，其中t是当前时间。默认情况下δ=0（数据包应尽快发送）。

路径列表（PL）字段：此字段列出所有将要发生路径分裂（路径叠加）的地址，然后连接下一跳IP地址。默认情况下，它被设置为零，不调用路径分裂。分裂后，所有路径必须路由到原始目的地IPv6地址。该过程的格式应遵循图4(b)中的示例。该示例将在路由器…7334处进行两路径分裂，一路由到路由器…7335，另一路由到路由器…7336。图4(c)所示的格式将在路由器…7334处进行四路径分裂，另外两路分别路由到路由器…7337和路由器…7338。如果下一跳路由器IP地址在本地路由表中没有记录（或信道被视为无效），路由器本身将选择下一跳IPv6地址——与路由算法施加的任何约束一致（例如，在基于位置的算法中，路由器应选择被认为最接近目的地的下一跳路由器）。每个路由器将被强制检查此PL字段，这允许沿路径进行多次分裂（甚至在不同路径上具有不同类型和数量的分裂）。

注意，在路径分裂中，经典头部字段应被复制到所有路径，并与量子有效载荷分开发送。只有量子有效载荷被置于路径叠加态。在每个路由器处，经典头部信息被传播到IP层并被执行。与此同时，量子有效载荷被存储在路由器的本地存储器中。这创建了量子存储器的叠加态，因此也提供了一种调用QRAM的机制。

量子多播（QM）字段：如果此字段被设置为某个路由器的地址（即非零），则量子态应被置于从该路由器发出的所有可能的单跳路径的叠加态中。我们将此结果称为量子多播。¹² 该过程的格式应遵循图4(d)中的示例。此特定设置将在路由器…7334以及路由器…7335处启动量子多播。再次强调，所有路径必须通向原始最终目的地。默认情况下，到路由器的入站路径不包括在叠加态中（通过在地址末尾添加星号可覆盖此设置）。基本头部中的初始跳数限制字段应特别考虑此设置进行设置（注意它很可能在不同路径中被递减为不同值）。此字段覆盖路径列表字段。

量子多播切换（QMS）字段：默认设置为零，但如果设置为1，则忽略量子多播字段，并且量子多播将在路径上的所有路由器处进行。所有路径的最终目的地仍为原始目的地。到路由器的入站路径不包括在叠加态中。此字段也覆盖路径列表字段。

改变目的地址（CDA）字段：指示是否要改变最终目的地，并可在任何路由器上设置。默认情况下，此字段设置为零（表示IPv6头部中的原始目的地址保持不变）。如果非零，则此字段中列出新的目的地址，并应插入IPv6头部。这允许不同路径现在具有不同目的地（即具有不同的头部信息）。

图4：量子路由格式。各种场景下的IPv6量子路由格式。

上述字段容纳了可以为量子路由设想的绝大多数场景。¹³ 鉴于IPv6提供的灵活性，可以添加额外的字段。然而，也可以创建完全独立的扩展头部来补充上述功能，通过下一个头部字段将它们添加到路由器中的处理过程中。当然，这里假设目标路由器具有调用所需操作的硬件功能。纯经典路由器不会受到任何量子头部通过的影响，因为它们将被预编程为简单地忽略这些扩展头部。

IV-B 隐形传态

现在我们讨论隐形传态所需的量子头部，我们称之为“量子隐形传态”头部。量子网络将在某种程度上（即并非总是）依赖于分布在整个网络中的量子纠缠。许多节点将共享纠缠，但并非每个节点都与其他每个节点共享纠缠。这种范式提供了网络的另一个量子专属方面——隐形传态。我们将是否直接隐形传态到当前节点之外的节点的决策委托给IP层（或更高层）。其主要原因是，一般而言，在某些节点处对路径叠加的请求需要优先于直接隐形传态到接收地址。这是量子隐形传态头部可能需要在量子路由头部之后添加到基本IPv6头部的原因之一。¹⁴ 注意，在下文中，我们假设链路层能够智能地适应此新头部中的信息，并覆盖先前的设置以直接传输到物理路径上的下一路由器。涉及隐形传态时的“点对点”通信是指通过任何可行量子信道的通信。对纠缠的任何必要操纵可以在其他层进行，¹⁵ 但所有路由器将不断更新其路由表，不仅如当前一样用于经典通信，还用于通过隐形传态的点对点量子信道的可用性。

此头部的建议格式如图5所示。

图5：量子隐形传态头部。一种提议的新IPv6扩展头部，允许各种隐形传态结果。

再次，我们关注可能需要定义的宽泛输入。

隐形传态（TEL）字段：TEL字段将具有与其关联的固定位数，允许映射到广泛的指令集。这些映射中的大多数留待将来使用、开发和标准化。然而，我们列出了一些我们认为具有特殊价值且将被广泛使用的指令集。还请注意，量子隐形传态头部会被复制并通过所有路径叠加态（如果有任何这样的路径由量子路由头部调用）。要隐形传态的量子态是直接从存储器获取的状态。回想一下，存储器现在可能已与网络中其他存储器地址纠缠。¹⁶ 现在描述TEL字段的几个具体设置。

TEL=0：默认值为零，这意味着如果网络中通过隐形传态的“路径”存在，则量子态的隐形传态将覆盖量子路由头部中的所有其他指令。路由器将从基本IPv6头部获取发送方-接收方IP地址，然后尽力以最少数量的隐形传态步骤将量子态隐形传态。如果沿路径没有可用的隐形传态（且无法使其可用），则网络应在可用时使用直接传输。

TEL=1：这允许特定的隐形传态传输，而不是让系统确定路径。对于输入的每对发送方-接收方地址，其他层再次尝试在这些地址之间以最少数量的隐形传态步骤进行隐形传态。要输入的发送方-接收方地址对在头部的子数据字段（下面定义）中提供。此设置覆盖量子路由头部中的指令。

TEL=2：这与上述TEL=1设置相同，但这次量子路由头部中的信息将优先。

TEL=3：这强制所指示的路由器执行关于隐形传态的特定指令。同样，所要求的指令和路由器在SD字段中列出。这种通用设置允许任何可能性，类似于SDN类型配置中的控制消息。数据字段中的信息也可以请求不同头部中的哪些信息相对于彼此优先，从而提供丰富的可能性变化。

类型（TY）字段：此字段与路由头部中的相同。

发送时间（TS）字段：此字段与路由头部中的相同。

子数据（SD）字段：这是与其他头部类型相关的附加信息和指令所在的地方。

关于路由表中量子隐形传态信道的更新，我们预期过程类似于[2]中描述的基于位置的路由。这涉及路由器定期通告hello数据包，并基于这些数据包构建路径。网络中的各个路由器将被预编程为是否参与此过程。如果参与，单个路由器还可以设置其参与频率的值（设置其通告的周期）。当收到到特定目的地的隐形传态请求时，其他层可以通过执行一系列纠缠交换来建立直接信道来响应。此过程根据所采用的详细纠缠分发协议进行管理。

通过隐形传态的路由显然代表了将使量子网络真正区别于经典网络的关键新特性之一，并且很可能被广泛使用。在我们概述的过程中，当TEL字段设置为其默认值时，网络将尽力使用最少数量的隐形传态步骤通过网络传输量子态。可能实际上不会调用任何隐形传态步骤（例如，由于其他层在建立隐形传态信道时失败），而直接传输进行，或者发生直接传输和隐形传态的某种组合。

除了量子路由和隐形传态之外，还有其他量子过程也可能在量子背景下影响IP路由。其中之一是时间顺序的叠加态（通常也称为不定因果顺序），通过网络所经过路径的时间顺序被置于叠加态——这一过程已知能增强通信效果[16]。我们将不详细描述在IPv6扩展头部格式内调用此类过程所需的头部格式——只需说它将遵循类似的结构，类似于为量子隐形传态概述的结构，特别是在使用等同于TEL=3字段方面。

注意，现有的经典IPv6扩展头部的组合也可以与量子扩展头部分层，以形成更复杂的路由行为。如前所述，一个例子是经典的逐跳扩展头部，这是一种强制路径上的每个路由器检查IP头部的手段。如果要实现这一点，需要强制执行经典头部的严格顺序规则。也有可能IPv6中的经典ICMP头部可用于额外的控制功能，这有助于实现网络的新量子方面。

IV-C 量子过程的叠加态

现已充分确定，量子过程的叠加态可以带来增强的通信结果。这包括量子路由和量子隐形传态的叠加态[33]。让我们考虑如何在IPv6框架内实现这种不同量子过程的叠加态。

鉴于通过量子路由头部和量子隐形传态头部（具有TEL=3设置）已经可用的灵活性，可以使用这些新头部调用两种量子过程的叠加态。一种方法是在量子隐形传态头部的SDF中调用新的指令集，以指示特定路由器触发硬件，将先前扩展路由器头部中的路由请求与量子隐形传态头部字段中的信息置于叠加态。¹⁷ 此过程的示意图如图6所示。

图6：量子过程的量子叠加态。量子路由和量子隐形传态的一种叠加态，其中位于地址Addr 1的路由器处的硬件调用过程的叠加态，由控制量子比特1触发。这里，路径叠加态由控制量子比特2触发，通过地址Addr 1和Addr 2以叠加态将量子信息传输到目的地。量子路由头部中的信息（左上）被复制并沿蓝色所示的两条路径经典传输。隐形传态头部中的信息（左下）被经典传输到目的地。可以向此示意图添加不同的隐形传态映射和控制量子比特，以形成不同的组合（或顺序）的叠加态。并非所有组合都具有特定的量子优势。允许已知量子优势的叠加态的技术细节和量子电路在其他地方有详细描述[33]。

然而，如前所述，除了量子路由和隐形传态之外，还可以设想其他量子过程，我们也可能希望与之形成叠加态。¹⁸ 这表明更好的路径是引入“量子叠加”扩展头部。我们将不深入探讨此类头部字段的细节，只需说它将具有许多常见字段，如数据长度，但它将有一个特殊的“SUP”字段，指示要置于叠加态的过程。此头部还将有自己的SDF，规定任何未从每个过程设置的字段中获得的附加信息，或对叠加态具体如何进行的必要澄清（例如，此类叠加态在何处和何时发生）。一个新的头部可能是处理量子过程叠加态的更好方式，因为它允许由未来研究推动的未来结果能很容易地集成到网络中。

V 纠缠分发

在我们的架构中，我们将大量的“繁重工作”留给了假定已在网络中运行的纠缠分发过程，特别是在隐形传态请求方面。如前所述，许多工作讨论了如何通过复杂的链路层协议直接处理这一问题，这些协议最终可能确实成功。然而，本着我们在此采用的IP方法的精神，我们更倾向于赋予链路层协议与OSI模型中相同的责任（两个节点之间的传输）。我们将假设链路层采用直接传输来传输量子信息，但请注意这不是绝对的。链路层的隐形传态也是可能的，但必须注意所需量子测量的经典结果的释放。注意，路径叠加态内的隐形传态将是量子过程的叠加态。

在量子互联网的某些架构中，复杂的纠缠交换、保真度测量、重传（如果需要）和纠缠分发被分配给直接在应用层和/或传输层发生的过程，或许与软件定义网络（SDN）架构相结合。在这方面，我们注意到[11]中提出的架构，其中卫星直接从太空控制地球上的纠缠分发。有了量子存储器，我们可以设想这种类型的架构将纠缠广泛分发到许多对地面站，然后这些地面站可以通过直接传输将纠缠重新分发到光纤连接在约100公里范围内的那些站。在此架构中，应用层请求隐形传态信道，网络检查是否可用，如果不可用，则通过来自太空的直接传输结合本地直接传输按需创建隐形传态信道。

VI 讨论

我们上面的讨论为下一代量子网络开发了一种混合经典-量子头部。我们已经描述了当前的IPv6框架如何能在IP层封装令人惊讶的广泛的重要量子过程。通过用适当的软件和硬件逐步增强路由器，可以将包含量子专属效应的路径添加到现有基础设施中。所提出的架构与现有网络硬件向后兼容，因为未配备量子处理能力的路由器将简单地忽略量子扩展头部。

我们并未认真考虑量子软件定义网络（QSDN）安排所要发挥的作用[1]。尽管复杂，但这种形式的基于量子软件的解决方案在某些情况下比我们在此讨论的混合经典-量子头部提供了新的网络功能。鉴于QSDN可能在许多功能中发挥作用，例如纠缠交换和QKD增强的安全性；展望未来，我们认为量子网络很可能在某种形式的量子化IPv6扩展头部和QSDN的基础上运行。

我们注意到，也有可能将某些头部信息以量子态的形式存在[7]。这同样可能需要QSDN的干预来辅助控制信息传输，因为该量子信息无法被路径上的所有路由器读取。

最后，除了我们之前指出的通信系统的许多优势之外，我们提出的框架所允许的更广泛的量子赋能功能应能实现新的或改进的展示量子优势的应用。我们建议读者参考最近的综述，这些综述介绍了量子网络的许多新应用，我们提出的框架可能有助于实现这些应用[36, 45, 41, 46]。我们相信，这些令人兴奋的新量子赋能网络将为尚未发现的场景和应用提供机会。

VII 结论

全球量子互联网正在兴起，但要最终确定其运行规则和协议仍需要大量工作。已有许多有趣的工作试图制定这些规则，从传统的分层方法到完全抛弃经典互联网所构建架构的激进新设计。在本工作中，我们强调了如何通过对IPv6扩展头部模型进行一些修改，在IP层容纳广泛的量子专属过程。

我们的框架允许未来的“简单”功能，如量子态的直接传输、量子态的隐形传态和两条路由的叠加态。除此之外，还允许大量的复杂性，例如扩展到整个网络的许多路由的网状叠加态，甚至网络中不同路由器处不同量子过程的叠加态。随着这些令人兴奋的新网络的发展，所允许的复杂性为所提出的架构提供了显著的面向未来的能力。