1. 课程导入与量子网络全景
欢迎进入《量子网络路由与资源分配入门》。在动手讨论任何一条路由算法之前，我们需要先回答一个更基础的问题：量子网络究竟由哪些部分组成，而“路由”和“资源分配”又分别站在这个体系的哪个位置。很多初学者会把量子网络想象成“把光纤换成量子信道、把路由器换成量子路由器”的经典互联网翻版，这种类比有一定帮助，但会掩盖最关键的区别——量子网络传输的是量子态，而量子态不可克隆、不可任意复制、测量即扰动。正是这些物理约束，决定了量子网络的控制逻辑与资源管理方式必须重新设计。
本课程的目标可以概括为三层能力：第一，能说清量子网络的分层结构与各层职责；第二，能理解路由（为一次量子信息传输选择端到端路径）与资源分配（在路径上分配纠缠、存储、波长、时间片等稀缺资源）之间的耦合关系；第三，能对典型场景做出可计算的判断，例如给定拓扑与纠缠产生速率，估算某条路径的端到端成功率与所需等待时间。后续章节将围绕纠缠交换、纠缠路由、保真度约束、多用户调度、量子中继链等主题逐步展开，本节则先建立全景地图。
四层模型：从应用到物理
我们采用一个四层参考模型来组织全课程内容，自顶向下依次为应用层、控制层、量子层、物理层。这个分层不是照搬 OSI，而是围绕“量子态如何被使用、被调度、被传输、被产生”这一主线划分的。
应用层关心用户要完成什么任务：分布式量子计算中的门遥操作、量子密钥分发中的密钥生成、分布式量子传感中的纠缠辅助测量、量子时钟同步等。应用层提出的是需求，例如“在节点 A 与节点 B 之间建立一条保真度不低于 0.9 的纠缠链路，并在 50 毫秒内可用”。
控制层是路由与资源分配的主战场。它不直接操作量子态，而是做决策：选哪条路径、在哪些中继节点做纠缠交换、每个请求分配多少纠缠对与存储时隙、冲突时谁先谁后。控制层需要维护网络状态视图（拓扑、链路当前保真度、剩余纠缠资源、排队情况），并运行路由算法与调度策略。经典信息在此层流动，因此控制层可以借助经典网络实现，但必须面对量子层状态的“时效性”——纠缠会退相干，状态信息很快过期。
量子层负责实际的量子操作：纠缠产生、纠缠交换、纠缠纯化、量子存储读写、测量与经典结果回传。它把物理层提供的原始链路聚合成端到端纠缠，是保真度损耗与成功率下降的主要发生地。
物理层包含光纤、自由空间链路、卫星信道、量子中继器硬件、单光子探测器、量子存储器与纠缠源。它决定了最基础的参数：衰减系数、暗计数、纠缠产生速率、存储相干时间。
分层关系与路由、资源分配的位置
下面的内联图给出本节的全景结构：左侧是四层职责，右侧标出控制层内部的路由决策与资源分配两个核心功能，以及它们向下依赖的量子层能力与向上承接的应用需求。
从图中可以看到一个关键事实：路由与资源分配并非彼此独立的两步。选了一条路径，就等于承诺消耗该路径上各中继节点的纠缠对与存储时隙；反过来，若某段链路资源紧张，路由算法就必须绕行或推迟。这种“路径选择—资源占用—状态更新”的循环，是量子网络控制层区别于经典路由的根本特征。
一个可计算的入门示例
为了把抽象分层落到数字上，我们构造一个明确标注为教学假设的示例。设一条三跳链 A—R1—R2—B，每段链路的纠缠产生成功率为 p=0.8，单次尝试耗时 10 毫秒，纠缠对保真度初始为 0.95，每经过一次纠缠交换保真度按经验模型乘以 0.97。若要在 A、B 间建立一条端到端纠缠，需要 R1、R2 各完成一次交换。
端到端成功率近似为各段成功率之积：0.8×0.8×0.8≈0.512。若每段独立重试，则端到端期望尝试次数约为 1/0.512≈1.95 轮，每轮需等待最慢一段完成，按同步假设约 10 毫秒，故期望建立时间约 20 毫秒量级。保真度方面，两次交换后约为 0.95×0.97×0.97≈0.894。若应用要求保真度不低于 0.9，则这条三跳路径不达标，控制层需要改用纠缠纯化（消耗额外纠缠对提升保真度）或选择跳数更少的路径。这个简单计算已经体现了本课程的核心张力：跳数少则成功率高、保真度好，但可选路径少；跳数多则路径灵活，却要付出成功率与保真度的代价。
学习路线图
基于四层模型，本课程后续内容按“先物理约束、再单路径、再多用户、最后综合”的顺序推进。第一阶段理解纠缠产生、交换与纯化的定量关系，这是所有资源估算的基础；第二阶段进入单请求路由，学习以成功率、保真度、时延为目标的路径选择与中继选择；第三阶段扩展到多请求场景，讨论纠缠资源分配、排队与调度、冲突消解；第四阶段处理动态性与不确定性，包括状态过期、重路由与容错。每一阶段都会给出可手算的示例参数与判断依据，帮助你把公式变成工程直觉。
建议的学习方法是：每读一个算法，先问它依赖哪一层提供什么状态信息，再问它消耗哪些资源、失败时如何回退。带着这两个问题阅读，你会发现路由与资源分配始终是一体两面，而四层模型就是贯穿全课程的那张地图。