2. 量子信息基础与网络资源抽象

要谈量子网络中的路由与资源分配，第一步不是画拓扑，而是弄清楚“被分配的东西”到底是什么。经典网络里我们分配带宽、缓存、端口和队列；量子网络里，真正稀缺且不可克隆的资源是量子态本身，以及承载它的纠缠、信道和存储能力。本节从量子比特的基本性质出发，逐步把这些物理对象抽象成可量化、可比较、可调度的资源对象。

量子比特：不是“0 或 1”，而是概率幅

经典比特的状态是确定的 0 或 1。量子比特（qubit）的状态写成 |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩，其中 α、β 是复数概率幅，满足 |α|² + |β|² = 1。测量时以 |α|² 的概率得到 0、以 |β|² 的概率得到 1，测量后状态坍缩到对应基态。这意味着量子比特携带的信息不能像经典比特那样随意复制——未知量子态不可克隆，这是量子网络资源管理区别于经典网络的根源。

叠加使一个量子比特可以同时“含”两种基态的成分，但注意：叠加不等于并行计算，它带来的是一种在测量前无法直接读取的概率结构。对网络而言，叠加意味着中间节点若在传输途中测量，就会破坏状态，因此量子中继必须采用纠缠交换、纠错等手段，而不是“接收—放大—转发”。

纠缠：网络中最核心的可分配资源

两比特纠缠态（以 Bell 态为例）|Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩)/√2 的特点是：单独看任一方都是完全随机的，但两方的测量结果高度关联。纠缠本身不能传递信息，必须配合经典信道做测量结果比对，才能实现量子隐形传态或纠缠辅助通信。因此，量子网络的一条端到端业务，往往需要“纠缠对 + 经典信道”成对出现。

把纠缠抽象为资源时，至少要量化三个维度：数量（成功建立的纠缠对个数，单位 ebit 或“对”）、保真度（实际态与理想 Bell 态的接近程度，常用 F 表示，如 F=0.92）、寿命（在存储中维持可用保真度的时间）。一个纠缠对若保真度低于业务阈值（例如某些协议要求 F≥0.9），即使数量足够也不能直接使用，需要先做纠缠纯化，而纯化会消耗额外的纠缠对。

量子信道容量与存储相干时间

量子信道不是“管道越粗越好”这么简单。以光纤为例，损耗随距离指数衰减，典型 1550 nm 光纤约 0.2 dB/km，100 km 就损失约 20 dB，即信号功率降到约 1%。因此量子信道的可用性通常用有效纠缠分发速率（对/秒）和信道保真度共同描述，而不是单一带宽。自由空间链路还要考虑大气湍流、对准误差和背景光。

存储相干时间 T₂ 决定纠缠对“能等多久”。若两端纠缠对建立时刻不同步，先到的一方必须在量子存储器中等待，等待期间保真度按退相干规律下降。工程上常把“存储时间 / 建立时延”作为调度可行性的判据：若等待时间接近或超过 T₂，这对纠缠就应被判定为过期并释放，避免占用资源却无法参与后续交换。

把资源量化：一个可操作的记账方式

资源抽象的价值在于能记账。假设一条 3 跳链路 A—B—C—D，每段光纤 40 km，单段纠缠分发速率示例取 1×10⁴ 对/秒，保真度 0.95，存储器 T₂=50 ms。端到端要建立 A—D 纠缠，需要 B、C 各做一次纠缠交换，每次交换消耗两对相邻纠缠、产出一对更远纠缠，且保真度会下降（示例中每次交换后 F 约降 0.03）。若业务要求 F≥0.90，则两次交换后 F≈0.89，已低于阈值，必须先做一次纯化，而纯化又要额外消耗一对纠缠。这个简单估算说明：路由不能只看跳数，还要把保真度衰减和纯化开销算进路径代价。

实际调度中，可维护一张资源表，字段包括：链路标识、当前可用纠缠对数、平均保真度、最近一次建立时间、预计过期时间、经典信道时延。节点收到业务请求后，先按保真度阈值过滤不可用链路，再按“消耗纠缠对数 + 纯化开销 + 等待时延”计算路径代价，选择代价最小且满足端到端速率要求的路径。若所有路径都不满足，则进入排队或降级策略，而不是强行分配。

建立这种资源量化意识后，后续的纠缠路由、中继选择、存储调度才有统一的比较基础：每条候选路径都能折算成可计算的代价，每个分配决策都能回答“消耗了多少纠缠、换来多高保真度、是否在寿命内完成”。这正是量子网络从物理实验走向可运营网络的关键一步。