中继器研究论文

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Ipv6在高校校园网中的应用

摘  要  文章对ipv6基本概念，ipv6的实现技术及实现ipv6的现行技术进行了阐述，结合学校校园网的ipv6实际解决方案，系统描述了ipv6在网络出口设备Cisco6503上的配置和在ipv6在网络核心设备Cisco6513上的配置，以及ipv6在我校校园网中的实际应用。

关键词  ipv6；隧道技术；双协议栈技术

1  引言

现有的互联网是在IPv4协议的基础上运行。IPv6是下一版本的互联网协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将影响互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在2005～2010年间将被分配完毕，而IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球每平方米面积上可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题。IPv6的主要优势体现在以下几方面：扩大地址空间、提高网络的整体吞吐量、改善服务质量(QoS)、安全性有更好的保证、支持即插即用和移动性、更好实现多播功能。

2  ipv6实现技术概述

从ipv4到ipv6 的转换必须使ipv6能够支持和处理ipv4体系的遗留问题。目前，IETF（ Internet Engineering Task Force）已经成立了专门的工作组，研究ipv4 到ipv6 的转换问题，并且已提出了很多方案，主要包括以下几个类型：

  双协议栈技术

在开展双堆栈网络时，主机同时运行两种协议，使应用一个一个地转向ipv6 进行传输。它主要用于与ipv4 和ipv6设备都进行通信的应用。双堆栈将在Cisco Ios软件平台上使用，以支持应用和Telnet，Snmp，以及在ipv6传输上的其它协议等。

  隧道技术

随着ipv6网络的发展，出现了许多局部的ipv6 网络，但是这些ipv6网络需要通过ipv4 骨干网络相连。将这些孤立的“ipv6 岛”相互联通必须使用隧道技术。利用隧道技术可以通过现有的运行ipv4 协议的Internet 骨干网络（ 即隧道）将局部的ipv6网络连接起来，因而是ipv4向ipv6 过渡初期最易于采用的技术。

路由器将ipv6 的数据分组封装入ipv4，ipv4 分组的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的ipv4地址。在隧道的出口处，再将ipv6分组取出转发给目的站点。隧道技术只要求在隧道的入口和出口处进行修改，对其他部分没有要求，因而非常容易实现。但是隧道技术不能实现ipv4 主机与ipv6 主机的直接通信。

 网络地址转换/ 协议转换技术

网络地址转换/ 协议转换技术NAT-PT（Network Address Translation-Protocal Translation）通过与S||T 协议转换和传统的ipv4 下的动态地址翻译NAT 以及适当的应用层网关（ALG）相结合，实现了只安装了ipv6 的主机和只安装了ipv4机器的大部分应用的相互通信。上述技术很大程度上依赖于从支持ipv4的互联网到支持ipv6 的互联网的转换，我们期待ipv4 和ipv6 可在这一转换过程中互相兼容。目前，6tot4 机制便是较为流行的实现手段之一。

3  我校校园网ipv6解决方案

我校共有两个校区：老校区和新校区，两个校区之间通过新校区的Cisco6513和老校区Cisco6509万兆相连，Cisco6513又与边界出口Cisco6503相连。

网络拓扑图如下（图1）：

针对网络从IPv4向IPv6演进过程中面临的IPv4和IPv6相互之间的通信以及如何实现IPv6网络与现有IPv4网络无缝连接等问题，所以我校在教育网上采用

隧道技术、双栈技术和地址头翻译技术实现对ipv6网络的互访，即借助当今纯熟的ipv4技术，对ipv6数据包实行ipv4格式的封装与解封装。

我校实际的ipv6配置如下：

在核心设备6573的ipv6配置如下：

interface GigabitEthernet12/47

description cumt ipv6 link

ipv6 address 2001:DA8:100D:1::2/64      // 6513与6503的三层对接ipv6地址的配置

interface Vlan12

no ip redirects

ipv6 address 2001:DA8:100D:2::1/64        // ipv6的vlan配置

ipv6 enable                              //在Cisco6513上启动ipv6协议

ipv6 route ::/0 2001:DA8:100D:1::1      // ipv6默认路由配置

在出口设备Cisco6503上的ipv6配置如下：

interface GigabitEthernet3/47

ipv6 address 2001:DA8:100D:1::1/64     // 6503与6513的三层对接ipv6地址的配置

ipv6 route 2001:DA8:100D::/48 2001:DA8:100D:1::2

ipv6 route ::/0 2001:DA8:A3:F00B::1

ipv6 unicast-routing                 //  ipv6的路由配置

interface Tunnel0                   //ipv6隧道配置

ipv6 address 2001:DA8:A3:F00B::2/64       //源端的ipv6地址

ipv6 enable//启动ipv6协议

tunnel source          //隧道源端ipv4地址

tunnel destination      //隧道目的端ipv4地址

tunnel mode ipv6ip                  //隧道模式为ipv6

教育网防火墙上的配置如下：

access-list 102 extended permit ip any host        //允许校内及校外的访问通过ipv6隧道

目前ipv6在我校已经很好的应用起来，校内用户能够方便的访问外面的ipv6网络资源，而我校也已经分别建立了ipv6的www服务器及ipv6的DNS解析，以提供外面用户对我校ipv6网络资源的访问。

（图1）

4  结论

ipv6在我校的良好应用，进一步体现了ipv6的强大魅力，虽然目前还不能完全取代ipv4，但是，在不远的将来ipv6一定能够取代ipv4，从而实现全范围的纯粹的ipv6网络的运行。

参考文献

[1] 实现ipv4向ipv6过渡的隧道技术6tot4.计算机工程与应用.  2002年 第18期

[2] ipv4向ipv6的过渡技术综述.北京邮电大学学报. 2002年 第4期

[3]  如何从ipv4过渡到ipv6. 计算机时代. 2004年 第8期

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仅供参考，请自借鉴

希望对您有帮助

现化通信技术给我们带来方便太多了，从以前为了传输信号用的风火台点狼烟到现在用电话和手机。从以前亲眼看到几百米景物到现在电视捍几千米几千公里里景物。从一个人讲话小范围几十人听到现在几万人或几亿人都能听的音视。从人记录信息甲骨文到现在计算机打印等

这个是我们的考试题也许会对你有帮助，现代通信新技术大约就是这几个方面1、什么是宽带接入？简述现阶段接入技术基本原理？简述你对未来接入技术发展的看法？宽带接入是接入速率较高的接入方式。在公用电话网中通常认为在几百kbit/s以上的接入就属于宽带接入，有线、无线等不同专业有不同的定义。宽带是相对传统拨号上网而言，尽管目前没有统一标准规定宽带的带宽应达到多少，但依据大众习惯和网络多媒体数据流量考虑，网络的数据传输速率至少应达到256Kbps才能称之为宽带，其最大优势是带宽远远超过56Kbps拨号上网方式。未来的宽带上网技术应当具有连接简单，操作发便，同时功能强大等特性，它至少必须满足用户在语音和数据业务上的基本需求-例如高速网上冲浪，HDTV，VOIP话音业务等等。而今，通信技术与互联网技术的不断成熟使得这些服务离你越来越近，全球的电信运营商都在向着未来不懈的努力。我们了解了多种有可能实现的宽带接入方式，如"Stratellite"宽带、FTTH (光纤入户) 、ADSL2/ADSL2+，很难判断其中的哪一种会成为未来的主流，但是每一种技术都在快速的发展，最终能够笑道最后的，一定是那种能提供更高速度，更佳性能，更低成本，更高可行性的技术方案。所以，现在的宽带用户还有那些潜在的宽带用户将看到一个全新的局面，未来的宽带接入技术将会更成熟，没秒10M甚至100M不是梦！ 2、无线城市的概念？当前无线城市有哪些解决方案？简述你对无线城市发展的认识和看法？无线城市，就是使用高速宽带无线技术覆盖城市行政区域，向公众提供利用无线终端或无线技术获取信息的服务，提供随时随地接入和速度更快的无线网络,从而使在现有的第二代移动通信网络上不能使用、未来第三代移动通信网络上效果不够理想的高速度的新业务、新功能被开发出来，例如用手机看电视、打网络游戏、手机视频聊天、用手机随时召开或参加视频会议、家庭数字网络、无线传输文稿和照片等大文件、无线网络硬盘、移动电子邮件，等等。是城市信息化和现代化的一项基础设施，也是衡量城市运行效率、信息化程度以及竞争水平的重要标志。无线城市解决方案：为了实现无线数字城市建设的目标，对于不同的区域，不同的传播环境，不同的业务量需求，采用应不同的站型，不同的站间距和不同的天线类型，合理分布，达到用尽量少投资实现尽量好的覆盖效果。 1、城市主干道的覆盖；主干道路覆盖对数据流量的要求不高，一般容量不是问题，但对连续覆盖要求较高。对高速交通干道覆盖，可以采用高增益定向天线的方式对道路进行覆盖。 2、广场的覆盖；广场覆盖主要以公众用户上网为主，由于覆盖区域较为开阔所以可采用全向天线进行区域覆盖，但考虑到传输问题因此规划时可以采用Mesh方式进行网络连接。 3、景区的覆盖；此类地区由于往往线路难以到位，必须采取MESH或无线中继的方式进行覆盖。天线的选用需要考虑到景区整体的效果，可以采用仿真或仿生天线。 4、机场、车站、咖啡吧、茶室、休闲场所公共营业区域等室内区域的覆盖；室内场馆主要包括候机厅(候车室)、展览馆、体育场馆、高级写字楼、咖啡吧、室内茶室、大型室内商场等，可以采用普通无线控制器+AP使用自带天线或连接室内天线的方式进行覆盖。 5、园区的覆盖；园区覆盖主要面向游牧应用的公众用户，多数区域较为开阔但可能存在树荫的阻挡。对于数据的突发流量要求不高，覆盖区域较为分散。覆盖可以考虑采用全向和定向天线的结合，对于线路不到位的地方也可以采用Mesh或无线中继的方式进行无线组网。随着移动技术的成熟，以及人们生活和工作等行为的网络需求越来越倾向于“随时随地上网”的行为模式，无线网络作为一种便捷快速的网络服务肯定要在全世界普及，无线城市成为未来城市发展的目标是民意所向，也是大势所趋。中国已经有很多城市已经开始无线网络发展计划，北京、上海、广州、深圳、成都等多个城市已经开始建设无线城市。最近北京的中移动和房山区长阳镇就签订了合作协议，计划在长阳半岛建设无线城市，助力北京世界城市和信息化产业建设的同时，更为长阳半岛的居民生活和产业发展带来更为高效便捷的网络通讯服务。3 、什么是现代服务业？具体包括哪些业务？分析并阐述ICT？信息通信技术在现代服务业发展中的作用？现代服务业大体相当于现代第三产业。国家统计局在1985年《关于建立第三产业统计的报告》中，将第三产业分为四个层次：第一层次是流通部门，包括交通运输业、邮电通讯业、商业饮食业、物资供销和仓储业；第二个层次是为生产和生活服务的部门，包括金融业、保险业、公用事业、居民服务业、旅游业、咨询信息服务业和各类技术服务业等；第三个层次是为提高科学文化水平和居民素质服务的部门，包括教育、文化、广播电视事业，科研事业，生活福利事业等；第四个层次是为社会公共需要服务的部门，包括国家机关、社会团体以及军队和警察等。业务：1.基础服务（包括通信服务和信息服务） 2.生产和市场服务（包括金融、物流、批发、电子商务、农业支撑服务以及中介和咨询等专业服务） 3.个人消费服务（包括教育、医疗保健、住宿、餐饮、文化娱乐、旅游、房地产、商品零售等） 4.公共服务（包括政府的公共管理服务、基础教育、公共卫生、医疗以及公益性信息服务等）。现代服务业是相对于传统服务业而言，适应现代人和现代城市发展的需求，而产生和发展起来的具有高技术含量和高文化含量的服务业。ICT是信息、通信和技术三个英文单词的词头组合(Information Communication Technology，简称ICT) 。它是信息技术与通信技术相融合而形成的一个新的概念和新的技术领域。也是在线测试仪的简称。任何依靠信息通信技术(ICT)实现现代服务业的，首先要有一个多种电信技术和互联网技术的接入网络，为用户实现方便、快捷、廉价、多功能的接入。它应包括对互联网的接入，对无线、移动通信系统的接入，对固网的接入等。而且这些接入可以根据用户需求提供窄带和宽带的服务，或者按服务种类提供语音、数据、视频的接入。所以现代服务业共性服务支撑系统的接入也必须作到完全现代技术的、无时不在的、无处不在的全方位的服务。具体的通信手段要包括PSTN、PHS、ISDN、GSM、CDMA、3G(WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)、WIFI、WIMAX、集群通信、Cable、卫星、互联网的各种接入(PC与固网、移动网和无线网各种接入)等。4、网络优化的方法有哪些？室内补充覆盖信号源接入方式各自的特点？网络优化的方法很多，在网络优化的初期，常通过对OMC-R数据的分析和路测的结果，制定网络调整的方案。在采用图1的流程经过几个循环后，网络质量有了大幅度的提高。但仅采用上述方法较难发现和解决问题，这时通常会结合用户投诉和CQT测试办法来发现问题，结合信令跟踪分析法、话务统计分析法及路测分析法，分析查找问题的根源。在实际优化中，尤其以分析OMC-R话务统计报告，并辅以七号信令仪表进行A接口或Abis接口跟踪分析，作为网络优化最常用的手段。网络优化最重要的一步是如何发现问题，下面就是几种常用的方法： 1．话务统计分析法：OMC话务统计是了解网络性能指标的一个重要途径，它反映了无线网络的实际运行状态。它是我们大多数网络优化基础数据的主要根据。通过对采集到的参数分类处理，形成便于分析网络质量的报告。通过话务统计报告中的各项指标(呼叫成功率、掉话率、切换成功率、每时隙话务量、无线信道可用率、话音信道阻塞率和信令信道的可用率、掉话率及阻塞率等)，可以了解到无线基站的话务分布及变化情况，从而发现异常，并结合其它手段，可分析出网络逻辑或物理参数设置的不合理、网络结构的不合理、话务量不均、频率干扰及硬件故障等问题。同时还可以针对不同地区，制定统一的参数模板，以便更快地发现问题，并且通过调整特定小区或整个网络的参数等措施，使系统各小区的各项指标得到提高，从而提高全网的系统指标。 2．DT （驱车测试）：在汽车以一定速度行驶的过程中,借助测试仪表、测试手机，对车内信号强度是否满足正常通话要求，是否存在拥塞、干扰、掉话等现象进行测试。通常在DT中根据需要设定每次呼叫的时长，分为长呼（时长不限,直到掉话为止）和短呼（一般取60秒左右,根据平均用户呼叫时长定）两种（可视情况调节时长），为保证测试的真实性，一般车速不应超过40公里/小时。路测分析法主要是分析空中接口的数据及测量覆盖，通过DT测试，可以了解：基站分布、覆盖情况，是否存在盲区；切换关系、切换次数、切换电平是否正常；下行链路是否有同频、邻频干扰；是否有小岛效应；扇区是否错位；天线下倾角、方位角及天线高度是否合理；分析呼叫接通情况，找出呼叫不通及掉话的原因，为制定网络优化方案和实施网络优化提供依据。 3．CQT （呼叫质量测试或定点网络质量测试）：在服务区中选取多个测试点，进行一定数量的拨打呼叫，以用户的角度反映网络质量。测试点一般选择在通信比较集中的场合，如酒店、机场、车站、重要部门、写字楼、集会场所等。它是DT测试的重要补充手段。通常还可完成DT所无法测试的深度室内覆盖及高楼等无线信号较复杂地区的测试，是场强测试方法的一种简单形式。 4．用户投诉：通过用户投诉了解网络质量。尤其在网络优化进行到一定阶段时，通过路测或数据分析已较难发现网络中的个别问题，此时通过可能无处不在的用户通话所发现的问题，使我们进一步了解网络服务状况。结合场强测试或简单的CQT测试，我们就可以发现问题的根源。该方法具有发现问题及时，针对性强等特点。 5．信令分析法：信令分析主要是对有疑问的站点的A接口、Abis接口的数据进行跟踪分析。通过对A接口采集数据分析，可以发现切换局数据不全(遗漏切换关系)、信令负荷、硬件故障(找出有问题的中继或时隙)及话务量不均(部分数据定义错误、链路不畅等原因)等问题。通过对Abis接口数据进行收集分析，主要是对测量仪表记录的LAY3信令进行分析，同时根据信号质量分布图、频率干扰检测图、接收电平分布图，结合对信令信道或话音信道占用时长等的分析，可以找出上、下行链路路径损耗过大的问题，还可以发现小区覆盖情况、一些无线干扰及隐性硬件故障等问题。 6．自动路测系统分析：采用安装于移动车辆上的自动路测终端，可以全程监测道路覆盖及通信质量。由于该终端能够将大量的信令消息和测量报告自动传回监控中心，可以及时发现问题，并对出现问题的地点进行分析，具有很强的时效性。所采用的方法同5。在实际工作中，这几种方法都是相辅相成、互为印证的关系。GSM无线网络优化就是利用上述几种方法，围绕接通率、掉话率、拥塞率、话音质量和切换成功率及超闲小区、最坏小区等指标，通过性能统计测试→数据分析→制定实施优化方案→系统调整→重新制定优化目标→性能统计测试的螺旋式循环上升，达到网络质量明显改善的目的。(1) 宏蜂窝作信源接入信号分布系统；采用宏基站作信号源，其主要的优点是业务承载量大，通过增加基站设备的资源即可完成扩容，适用于用户众多，业务量高的大楼，场馆等建筑；缺点是宏基站和塔放之间采用射频馈缆连接，当用于大型建筑物的室内覆盖时，过多射频电缆集中于塔放节点，造成系统成本上升，需要较大的布线空间，施工难度加大，同时馈线损耗会造成射频信号衰减过大，不利用功率的有效使用。(2) 微蜂窝作信源接入信号分布系统； 采用微基站作信号源，相对宏基站，业务承载较小的建筑易于安装。缺点如下：A．微基站因为要体积小，输出功率小，覆盖有限，可能产生较多的校区切换，会消耗一定的资源。如果要覆盖较大的区域，一种方案是使用更多的微基站，导致建网成本增加。B.微基站组网时，每个信源的容量有限，不同信源之间的容量不能共享；对于一些室内环境，如果区域内其话务量的分布不均或者随时间变化很大，微基站因为无线资源共享率低，建设成本相对较高。C.微基站室内覆盖的扩容时增加微基站，扩容成本高。 (3) 直放站作信源接入信号分布系统。直放站（中继器）属于同频放大器，是指在无线通信传输过程中起到信号增强作用的一种无线发射中转设备。5、什么是下一代网络？NGN有哪些核心技术？阐述不同核心技术之间的区别及你对NGN发展的看法？下一代网络是网络的下一个发展目标。目前一般认为下一代网络基于IP，支持多种业务，能够实现业务与传送分离，控制功能独立，接口开放，具有服务质量(QoS)保证和支持通用移动性的分组网。NGN的关键技术有软交换技术、高速路由/交换技术、大容量光传送技术和宽带接入技术，其中软交换技术是核心技术。软交换技术是一种基于软件的分布式交换和控制平台。高速路由器处于NGN的传送层，实现高速多媒体数据流的路由和交换，是NGN的交通枢纽。大容量光传送技术：光纤传输具有大容量和高速率的特点，光交换和智能光网更加灵活，更有效的传输。宽带接入技术：将各种宽带服务与英语那个才能开展起来，网络容量的潜力才能真正发挥。NGN的技术标准研究正在继续进行中，各国的电信运营商都对其非常关注，对NGN的未来发展中融合成为主旋律。其中IMS的NGN架构是对3GPP规范中的特性补充，相信不久的将来NGN将会得到很好的发展。6、什么是云计算？云计算包括哪些服务类别？简述云计算的基本原理及应用领域？并谈谈你对云计算发展的看法？云计算概念是由Google提出的，这是一个美丽的网络应用模式。狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效。云计算服务类别包括基础架构云、平台云、应用云。云计算的基本原理是，通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将更与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。Amazon Amazon以在线书店和电子零售业起家，如今已在业界享有盛誉。它最新的业务却与云计算有关。两年多以前，亚马逊作为首批进军云计算新兴市场的厂商之一，为尝试进入该领域的企业开创了良好的开端。Google 围绕因特网搜索创建了一种超动力商业模式。如今，他们又以应用托管、企业搜索以及其他更多形式向企业开放了他们的“云”。Salesforce Salesforce是软件即服务厂商的先驱，它一开始提供的是可通过网络访问的销售力量自动化应用软件。在该公司的带动下，其他软件即服务厂商已如雨后春笋般蓬勃而起，Salesforce的下一目标是：平台即服务。Microsoft 在云计算的起步阶段，微软曾经历过不少周折。经过几年的磨合调整之后，这个软件巨头的云计算战略终于走上了正轨。 中国移动 云计算作为中国移动蓝海战略的一个重要部分，于2007年由移动研究院组织力量，联合中科院计算所，着手起步了一个叫做“大云”的项目。GiwellGiwell是国内首个通讯计算云平台，是天地网联科技有限公司研发的新一代云计算平台。随着经济的发展，服务化成为产业发展的必然趋势，各种生产活动的陈国逐渐开始以服务方式向用户进行交付。而云计算所提供的xaas模式正是服务化趋势的体现。云计算为产业服务化提供了技术平台，使生产流程的最终交付品是一种基于网络和信息平台的服务。我确信，在未来几年中，中国云计算市场将会保持快速的增长。7、什么是物联网？物联网包括哪些关键技术及应用领域？简述你对物联网的理解及未来发展的看法？物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫“The Internet of things”。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的关键技术有短距离无线通讯（zigbee、wifi、蓝牙等）、低功耗无线网络技术、无线传感器网络、无线定位、射频识别（RFID）（高频、超高频）、远程网络、多网络融合等物联网关键领域有1. RFID； 2.传感网； 3. M2M 4. 两化融合[。物联网的发展，也是移动技术为代表的普适计算和泛在网络发展的结果，带动的不仅仅是技术进步，而是通过应用创新进一步带动经济社会形态、创新形态的变革，塑造了知识社会的流体特性，推动面向知识社会的下一代创新形态的形成。移动及无线技术、物联网的发展，使得创新更加关注用户体验，用户体验成为下一代创新的核心。技术更加全面，体验更加丰富成为新一代物联网的发展目标。

一个利用量子纠缠在远方用户之间建立密切联系的量子网络正在形成。

撰文 | Gabriel Popkin

译者 | 潘佳栋

审校 | 刘培源、晏丽

当一束优雅的蓝色激光进入一个特殊的晶体中时，在晶体里其变成红色，这表明每个光子都分裂成一对能量较低的光子，并且产生了一种神秘的联系。这些粒子“纠缠”在一起，就像同卵双胞胎一样相互联系。尽管住在遥远的城市，它们却知道彼此的想法。光子穿过一团乱麻，然后轻轻地将它们编码的信息存入等待的原子云 （clouds of atoms） 中。

“这种变换有一点像魔法”，石溪大学的物理学家伊登·菲格罗亚 （Eden Figueroa） 欣喜若狂。他和同事们在几个实验室长凳上炮制了这个装置，上面堆满了镜头和镜子。但是他们心中有一个更大的想法。

图1：伊登·菲格罗亚 (Eden Figueroa) 正试图将微妙的量子信息从实验室引入互联世界

到年底，美国最大的都会区，包括纽约市郊区的司机可能会在不知不觉中为一个新的、可能具有革命性意义的网络的薄弱环节而努力：一个通过像菲格罗亚实验室那样的纠缠光子联系在一起的“量子互联网” 。

数十亿美元已经被投入到量子计算机和传感器的研究中，但许多专家表示，这些设备只有在远距离相互连接时才会迅速发展。就像网络将个人计算机从美化的打字机和 游戏 机转变为不可或缺的电信设备一样，这一愿景和网络的这一方式相似。

纠缠是一种奇怪的量子力学性质，尽管它曾被阿尔伯特·爱因斯坦嘲笑为“幽灵般的超距作用”，但是研究人员仍希望能够在远距离建立紧密的、瞬时的联系。量子互联网可以将望远镜连接成超高分辨率的阵列、精确地同步时钟、为金融和选举建立安全的通信网络、并使得从任何地方进行量子计算成为可能。它还可能催生出没有人想象过的应用程序。

然而，将这些脆弱的联系放入温暖、嗡嗡作响的世界并非易事。如今存在的大多数传输链只能将纠缠的光子发送到相距仅几十公里的接收器。同时，量子连接是短暂的，它会随着光子的接收和测量而被破坏。研究人员希望可以无限期地维持纠缠，利用光子流在全球范围内编织持久的量子连接。

为此，他们将需要光中继器在量子通信网络中的等价物。光中继器是当今电信网络的组件，可在数千公里的光纤中保持强光信号。几个团队已经展示了量子中继器的关键组成部分，并表示他们在构建扩展网络的道路上进展顺利。“我们已经解决了所有的科学问题，”哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金 （Mikhail Lukin） 说，“我非常乐观地认为，在5到10年内……我们将拥有大陆级别的量子网络原型。”

1969年10月29日晚 （即Woodstock音乐节刚结束2个月，越战正在爆发） ，加利福尼亚大学洛杉矶分校的学生查理·克莱恩 （Charley Kline） 向位于加利福尼亚州门洛帕克的斯坦福研究所中500多公里外的计算机发送了一条消息。这标志着美国高等研究计划署网络 （the Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET） 开始建立。从那个不稳定的双节点开始——克莱恩的预期信息是“login”，但在系统崩溃之前只有“lo”通过——互联网已经扩展到今天的全球网络。大约 20 年前，物理学家开始猜测相同的基础设施是否可以穿梭于更奇特的东西：量子信息。

1994年是一个激动人心的时刻。一位名叫彼得·肖尔 （Peter Shor） 的数学家设计了一种量子代码，可以破解当时领先的加密算法，这是经典计算机无法做到的。肖尔的算法表明，量子计算机具有使非常小的或冷的物体同时以多种“叠加”状态存在的能力，这可能具有爆炸级的应用——破解密码。他们花费了长达数十年的努力来构建量子计算机。一些研究人员想知道量子互联网是否会极大地增强这些机器的能力。

但是建造一台量子计算机已经足够令人却步了。就像纠缠一样，对纠缠至关重要的叠加状态是脆弱的，在被外界测量或以其他方式干扰时会崩溃。由于该领域专注于通用量子计算机，将这些计算机连接起来的想法大多被规划到遥远的未来。菲格罗亚打趣说，量子互联网变得“就像量子计算机的时髦版本”。

第一个能够传输单个纠缠光子的量子网络已经初具规模。2017年中国的一份报告是最引人注目的：一颗名为“墨子号”的量子卫星将纠缠粒子对发送到相距 1200 公里的地面站 （ Science , 16 June 2017, p. 1110） 。这一成就在华盛顿特区引发了担忧，最终导致了 2018 年《国家量子倡议》法案 （ National Quantum Initiative Act ） 的通过，该法案由当时的总统唐纳德·特朗普 （Donald Trump） 签署成为法律，旨在推动美国的量子技术的进步。美国能源部 （The Department of Energy，DOE） 在 4 月份提出了进一步推进美国量子互联网发展的设想，宣布斥资2500万美元用于量子互联网的研发，以连接国家实验室和大学。“让我们将我们的科学设施连接起来，证明量子网络是有效的，并为该国其他地区提供一个框架，让其继续并扩大规模。”最近才开始领导美国能源部科学办公室的克里斯·法尔 （Chris Fall） 说。

由中国科学技术大学物理学家潘建伟领导的中国小组继续发展其量子网络。根据1月份 Nature 的一篇论文，纠缠粒子现在可以跨越 4600 多公里，使用光纤和非量子中继。其他国家也已经证明了更短距离的量子连接。

量子通信行业和政府开始通过一种称为量子密钥分发 （Quantum Key Distribution，QKD） 的方法，将最初的链接用于安全通信。QKD使双方能够通过对纠缠光子对进行同时测量来共享密钥。量子连接可以防止密钥被篡改或窃听，因为任何干预测量都会破坏纠缠，用密钥加密的信息可以通过普通渠道传递。QKD 被用于确保瑞士选举的安全，并且银行已经对其进行了测试。但许多专家质疑其重要性，因为更简单的加密技术也不受已知攻击的影响，包括Shor算法。此外，QKD不能保证发送和接收节点的安全，这些节点仍然容易受到攻击。

成熟的量子网络的目标更高。“它不仅会传输纠缠粒子”，美国国家标准与技术研究所的物理学家尼尔·齐默曼 （Neil Zimmerman） 说，“它将纠缠作为一种资源进行分配”，使设备能够长时间纠缠，从而共享和利用量子信息。 （ Science , 19 October 2018, ）

在量子网络的发展中，科学可能是首先受益的。量子网络的一种可能的用途是超长基线干涉测量。该方法将全球的射电望远镜连接起来，有效地创造了一个强大的单一、巨大的天线，足以对遥远星系中心的黑洞进行成像。将远距离的光学望远镜收集到的光组合起来更具挑战性。但是物理学家提出了一些方案，可以在量子存储器中捕获望远镜收集的光，并使用纠缠光子提取和合并其相位信息，这是超高分辨率的关键。分布式纠缠量子传感器还可以为暗物质和引力波带来更灵敏的探测器网络。

量子网络更实际的应用包括超安全选举和防黑客通信，这使得信息本身，而不仅仅是用于解码它的密钥，能够像在QKD中密钥一样在纠缠节点之间共享。纠缠也可以同步原子钟，并防止在它们之间积累信息的延迟和错误。除此之外，量子网络还可以提供一种连接量子计算机的方法，增强量子计算机的能力。在未来一定的时间里，每个量子计算机可能会被限制在几百个量子比特，但如果纠缠在一起，它们可能能够处理更复杂的计算。

进一步考虑这个想法，一些人还设想了一种云计算的模拟，即所谓的盲量子计算 （Blind quantum computing） 。人们的想法是，有朝一日，最强大的量子计算机将位于国家实验室、大学和公司，就像今天的超级计算机一样。药物和材料设计师或股票交易员可能希望在不泄露程序内容的情况下从远处运行量子算法。理论上，用户可以在与远程量子计算机纠缠在一起的本地设备上对问题进行编码——利用远程计算机的能力，但同时不泄漏该问题的信息。

“作为一名物理学家，我认为盲量子计算非常漂亮。”因斯布鲁克大学的特蕾西·诺瑟普 （Tracy Northup） 说。

研究人员对完全纠缠网络 （fully entangled networks） 进行了早期研究。2015 年，魏纳 （Wehner） 及其同事将光子与氮原子中的电子自旋纠缠在一起，它们被包裹在代尔夫特理工大学校园内相距公里的两颗小钻石中。然后光子被发送到一个中间站，在那里它们相互作用以纠缠钻石节点。该实验创造了“调制”纠缠的距离记录，这意味着研究人员可以确认并使用它，并且这种联系持续了长达几微秒。

然而，更广泛的网络可能需要量子中继器来复制、校正、放大和重新广播几乎每个信号。尽管中继器是经典互联网中相对简单的技术，但量子中继器必须避开“不可克隆”定理——即从本质上讲，量子态不能被复制。

图2：量子网络将由纠缠的光子编织在一起，这意味着它们共享一个量子态。但是这需要量子中继器在遥远的用户之间中继脆弱的光子。

一种流行的量子中继器设计从两个相同的、不同来源的纠缠光子对开始，每对中的一个光子飞向遥远的端点，这些端点可能是量子计算机、传感器或其他中继器。让我们称它们为Alice和Bob，因为量子物理学家习惯这样做。

每对光子的另一半向内拉，朝向中继器的中心。该设备必须捕获先到达的光子，将其信息导入量子存储器 （可能是钻石或原子云） ，纠正在传输过程中积累的错误，并对其进行处理，直到另一个光子到达。然后中继器需要以纠缠遥远的光子双胞胎的方式将两者联系起来。这个过程被称为纠缠交换 （entanglement swapping） ，在遥远的端点Alice和Bob之间创建了一个链接。其他的中继器可以将Alice连接到Carol，将Bob连接到Dave，最终跨越很远的距离。

菲格罗亚将他建造这种设备的动力追溯到他2008年在卡尔加里大学的博士学位论文答辩。这位出生于墨西哥的年轻物理学家描述了他如何将原子与光纠缠在一起之后，一位理论学家问他要如何处理这个装置。“当时我真丢脸，我没有答案。对我来说，这是一个我可以玩的玩具。”菲格罗亚回忆道。“他告诉我：‘量子中继器就是你要做的。’”

受到启发，菲格罗亚在来到石溪之前就在马克思·普朗克量子光学研究所研究了该系统。他很早就确认商用的量子中继器应该在室温下运行——这与大多数量子实验室的实验不同，后者在非常冷的温度下进行，以最大限度地减少可能扰乱脆弱量子态的热振动。

菲格罗亚希望将铷蒸气作为中继器的一个组件，即量子存储器。铷原子是锂和钠的同族元素，对科学家很有吸引力，因为它们的内部量子态可以通过光来设置和控制。在菲格罗亚的实验室中，来自分频晶体的纠缠光子进入每个包含 1 万亿个左右铷原子的塑料细胞 （cells） 。在那里，每个光子的信息被编码为原子之间的叠加，在那里它持续几分之一毫秒——这对于量子实验来说非常好。

菲格罗亚仍在开发第二阶段的中继器：使用计算机控制的激光脉冲来纠正错误并维持云的量子态。然后，额外的激光脉冲会将携带纠缠的光子从存储器发送到测量设备，以与最终用户发生纠缠。

卢金使用不同的介质构建量子中继器：包裹在钻石中的硅原子。传入的光子可以调整硅电子的量子自旋，从而产生潜在的稳定记忆。论文中，他的团队报告捕获和存储量子态的时间超过五分之一秒，远远长于铷存储器。2020年一篇发表在 Nature 上的文章中指出，尽管必须将钻石冷却到绝对零上几分之一度的范围内，但卢金表示制冷器正在变得紧凑和高效， “现在这是我最不担心的。”

在代尔夫特理工大学，魏纳和她的同事也在推动钻石方法，但使用氮原子而不是硅。上个月在 Science 杂志上，该团队报道了在实验室中纠缠三颗钻石，创建了一个微型量子网络。首先，研究人员使用光子纠缠了两种不同的钻石：Alice和Bob。在Bob中，纠缠从氮转移到碳核中的自旋：一种长寿命的量子存储器。然后在Bob的氮原子和第三颗钻石Charlie之间重复纠缠过程。研究人员对 Bob的氮原子和碳核进行联合测量然后将纠缠转移到第三颗钻石，即Alice到Charlie。

实验负责人、代尔夫特理工大学物理学家罗纳德·汉森 （Ronald Hanson） 说，尽管该实验距离比现实世界的量子网络需要的距离短得多、效率也低得多，但可控的纠缠交换证明了量子中继器的工作原理，这是“从未被做过的事情”。

潘建伟的团队还展示了一个部分中继器，其中原子云作为量子存储器。但在2019年发表在 Nature Photonics 上的一项研究中，他的团队展示了一个完全不同的早期原型：通过平行光纤发送大量的纠缠光子，至少有一个可能在旅途中幸存下来。潘建伟说，虽然这可能避免对中继器的需求，但该网络需要能够纠缠至少数百个光子，而他目前的记录是12个光子。使用卫星产生纠缠是潘建伟正在开发的另一项技术，也可以减少对中继器的需求，因为光子在太空中的存在时间比通过光纤长得多。

大多数专家都认为，真正的量子中继器还需要数年时间，最终可能会使用当今量子计算机中常见的技术，例如超导体或俘获离子，而不是钻石或原子云。这样的设备需要捕获几乎所有击中它的光子，并且可能需要至少几百个量子比特的量子计算机来校正和处理信号。从某种意义上说，更好的量子计算机可以推动量子互联网的发展——这反过来又可以增强量子计算。

在物理学家努力打造完美中继器的同时，他们正在将单个大都市区内的站点连接起来，因为它们不需要中继器。在2月发布到 arXiv 的一项研究中，菲格罗亚将他的实验室中两个原子云存储器中的光子通过79公里的商业光纤发送到布鲁克海文国家实验室，在那里光子被合并——代尔夫特理工大学的小组朝着这种端到端类型的纠缠迈出了一步。到明年，他计划在他的大学和他的创业公司Qunnect的纽约办公室之间部署两个量子存储器，并把它们压缩到一个微型冰箱的大小，看看它们是否能提高光子在旅途中幸存下来的几率。

波士顿、洛杉矶和华盛顿特区也正在建设量子网络，两个网络将把伊利诺伊州的阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室与芝加哥地区的几所大学连接起来。代尔夫特理工大学的研究人员希望很快将他们创纪录的长期纠缠扩展到荷兰海牙的商业电信设施，而其他新兴网络正在欧洲和亚洲不断发展。

这些量子网络最终目标是使用中继器将这些小型网络连接到洲际互联网。但首先，研究人员面临着更简单的挑战，包括建造更好的光子源和探测器、最大限度地减少光纤连接处的损耗，以及在特定量子系统 （例如原子云或钻石） 的固有频率和电信光纤传导的红外波长之间有效地转换光子。“那些现实世界的问题，”齐默曼说，“实际上可能比光纤衰减的问题更大。”

图3：微小钻石中的杂质原子（如该芯片的核心）可以存储和传递量子信息。

有些人怀疑这项技术是否是在炒作。“纠缠是一种非常奇怪、非常特殊的性质”，陆军研究实验室的物理学家库尔特·雅各布斯说， “它不一定适用于所有类型的应用程序。” 例如，对于时钟同步，与经典方法相比量子网络的优势仅体现在纠缠设备数量的平方根上，量子网络需要连接9个设备才能获得经典网络3倍的收益。三倍增益需要连接九个时钟——可能会遇到高于它的价值的问题。“拥有功能性量子网络总是比经典网络更难。”雅各布斯说。

对于这种怀疑，芝加哥大学的物理学家大卫·奥沙洛姆 （David Awschalom） 反驳说，“我们正处于量子技术的晶体管阶段。” 晶体管于1947年被发明出来，几年之后，公司才发现它在收音机、助听器和其他设备中的用途。如今，每一台新电脑、智能手机和 汽车 的芯片中，都蚀刻了数以亿计的晶体管.

未来几代人可能会像我们怀念阿帕网 （ARPANET） 一样回望此刻——作为互联网的纯婴儿版本，阿帕网的巨大潜力当时没有得到认可和商业化。“你可以肯定，我们还没有想到这项技术将做的一些最重要的事情”，奥沙洛姆说：“如果你相信已经做了最重要的事情，那说明你太傲慢了。”

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