基于量子通信增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)安全革命

眾所周知，即使是最先進(jìn)的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)，如互聯(lián)網(wǎng)，也容易受到不斷變化的網(wǎng)絡(luò)攻擊的影響。量子網(wǎng)絡(luò)可以緩解這些漏洞，并通過使用量子特性保護(hù)數(shù)據(jù)。然而，這一解決方案面臨的挑戰(zhàn)是，當(dāng)前的各種量子實(shí)現(xiàn)方式缺乏凝聚力，導(dǎo)致系統(tǒng)無法協(xié)同工作。設(shè)想一下，可否融合經(jīng)典和量子通信的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)可擴(kuò)展、更安全的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施？美國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在2023年6月13日宣傳推出“量子增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)”（QuANET）項(xiàng)目，試圖借此掀起網(wǎng)絡(luò)安全革命來解答這一問題。

綜合DARPA網(wǎng)站發(fā)布的信息及QuANET廣泛機(jī)構(gòu)公告（BAA），DARPA通過QuANET項(xiàng)目將探索如何將量子和經(jīng)典方法整合到網(wǎng)絡(luò)中，為關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供基于量子物理學(xué)的安全能力。QuANET研究人員將專注于將當(dāng)前和未來的量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（包括硬件和協(xié)議）與經(jīng)典基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，目的是提供與國家安全相關(guān)的安全能力。DARPA專家估計(jì)，通過這樣做，他們可以實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的高效安全和隱蔽性特性與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的普遍性。

據(jù)DARPA信息創(chuàng)新辦公室（I2O）QuANET項(xiàng)目經(jīng)理艾莉森·奧布萊恩（Allyson O'Brien）博士介紹：“將量子鏈路整合到經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是量子光鏈路與當(dāng)今計(jì)算機(jī)的安全、可配置連接。我們希望讓網(wǎng)絡(luò)和光通信界更加了解量子——現(xiàn)在的能力在哪里，以及它們的發(fā)展方向，我們希望量子網(wǎng)絡(luò)界更好地了解經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)所面臨的所有復(fù)雜性和問題。通過將這兩個(gè)社區(qū)結(jié)合在一起，我們也許能夠創(chuàng)造一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)范式?！?? QuANET項(xiàng)目尋求使網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施能夠使用以各種方式納入量子通信的量子系統(tǒng)，并不關(guān)注量子密鑰分配（QKD）——量子通信的典型應(yīng)用。此外，量子中繼器、交換機(jī)和路由器等量子互連也不在初始項(xiàng)目范圍內(nèi)。QuANET項(xiàng)目尋求規(guī)模達(dá)到城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)的解決方案。

一、QuANET項(xiàng)目概述

DARPA信息創(chuàng)新辦公室（I2O）正在征集創(chuàng)新研究方案，以開發(fā)一個(gè)混合的量子-經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使量子增強(qiáng)當(dāng)今經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的安全性和隱蔽性。當(dāng)前，所有的數(shù)字通信范式都使用由一套分層的軟件協(xié)議組成的網(wǎng)絡(luò)棧。上層更接近計(jì)算機(jī)和服務(wù)器（通常稱為節(jié)點(diǎn)）上的應(yīng)用，而底層則更接近物理實(shí)現(xiàn)（即網(wǎng)絡(luò)電纜）。最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通常依賴于堆棧頂層的安全，假設(shè)這種安全也能減輕對(duì)底層的潛在攻擊。不幸的是，高級(jí)持續(xù)性威脅（APT）攻擊正在擊敗許多現(xiàn)有的最先進(jìn)的能力，增加美國商業(yè)和政府實(shí)體的網(wǎng)絡(luò)防御成本。

QuANET項(xiàng)目試圖用量子特性增強(qiáng)現(xiàn)有的軟件基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以減輕這些攻擊載體帶來的負(fù)面效應(yīng)。該項(xiàng)目將通過將現(xiàn)有的“最佳”量子通信能力與目前在軍事和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)相融合來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。量子信息將需要與經(jīng)典信息共存（量子-經(jīng)典互操作性），包括以下內(nèi)容：? ~量子時(shí)間同步增強(qiáng)了時(shí)鐘同步任務(wù)和飛行時(shí)間測試； ~通訊模式中的量子傳感和計(jì)量學(xué)，以增強(qiáng)對(duì)信息傳播的情況了解； ~將經(jīng)典信息嵌入量子系統(tǒng)，以減輕信息盜竊和數(shù)據(jù)損壞。

QuANET試圖創(chuàng)建的硬件進(jìn)展是一個(gè)環(huán)境硬化的、可配置的網(wǎng)絡(luò)接口卡，直接連接量子鏈接和經(jīng)典計(jì)算節(jié)點(diǎn)。這種硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該擴(kuò)展經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中已有的能力。 ?

量子通信的許多研究工作僅僅集中在量子密鑰分配上?(QKD)。QuANET項(xiàng)目正在尋求開發(fā)有利的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以納入量子通信的使用。 混合量子-經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將允許廣泛的網(wǎng)絡(luò)和通信專家為QKD之外的技術(shù)開發(fā)更多用途。本BBA非常不鼓勵(lì)專注于QKD的提案。?? ?

QuANET項(xiàng)目的最初設(shè)計(jì)和開發(fā)將集中在將當(dāng)前的量子能力整合到經(jīng)典的基礎(chǔ)設(shè)施中。量子互連，如量子中繼器、交換機(jī)和路由器，不在本項(xiàng)目的范圍內(nèi)。提案可以描述其方法的模塊化，并考慮到未來互連的可能性。QuANET項(xiàng)目尋求的是可以擴(kuò)展到城域網(wǎng)(MAN)規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)解決方案。 ?

二、QuANET項(xiàng)目架構(gòu)

QuANET是一個(gè)為期51個(gè)月的四階段項(xiàng)目。第0階段（技術(shù)領(lǐng)域1的基礎(chǔ)）為期3個(gè)月，將專注于量子網(wǎng)絡(luò)接口卡（qNIC）的設(shè)計(jì)。第1階段（基礎(chǔ)）為18個(gè)月，將集中于qNIC的制造和原型數(shù)據(jù)流和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開發(fā)。第二階段（方案1）為18個(gè)月，將側(cè)重于利用光纖網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)流和拓?fù)湓鰪?qiáng)功能與制造的qNIC集成。第三階段（方案2）為12個(gè)月，將側(cè)重于光纖、量子增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和空中鏈接擴(kuò)展的初步設(shè)計(jì)。第2和第3階段應(yīng)作為單獨(dú)定價(jià)的選項(xiàng)提出。政府可根據(jù)BAA中規(guī)定的指標(biāo)和里程碑所衡量的技術(shù)進(jìn)展以及資金的可用性，自行決定是否行使選項(xiàng)。 ? 被選中的承研者應(yīng)相互協(xié)作。政府已經(jīng)決定，有必要簽訂一份《聯(lián)合承包商協(xié)議》（ACA），以幫助促進(jìn)信息的公開交流。ACA將有助于確保軟件組件、系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備、數(shù)據(jù)和其他項(xiàng)目要素之間的完全兼容，以防止不必要的重復(fù)工作，并最大限度地整合能力。所有被選中的承研者都將被要求在項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)議之前完成其ACA。

圖1：QuANET項(xiàng)目架構(gòu)

三、QuANET項(xiàng)目技術(shù)領(lǐng)域

QuANET項(xiàng)目將開發(fā)技術(shù)，使經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)具有量子通信特性的增強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，QuANET將重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域（TA），如圖1所示。TA4是一個(gè)政府集成和評(píng)估團(tuán)隊(duì)。本BAA不為TA4征集提案。 ~TA1將專注于量子網(wǎng)絡(luò)接口卡（qNIC）的開發(fā)、加固和小型化，直接連接量子鏈接和經(jīng)典計(jì)算節(jié)點(diǎn)。該設(shè)備必須能夠在經(jīng)典信息的基礎(chǔ)上發(fā)送和接收量子信息，以及發(fā)送和接收量子計(jì)時(shí)和感應(yīng)信息。嵌入qNIC的軟件預(yù)計(jì)將在第二階段開始與TA2和TA3的解決方案整合。 ~TA2將建立算法、協(xié)議和軟件基礎(chǔ)設(shè)施，使用量子授時(shí)和傳感信息來增強(qiáng)經(jīng)典信息的通信。這些軟件工具預(yù)計(jì)將集成到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)堆棧中。TA2的能力預(yù)計(jì)將在第二階段開始在TA1的qNIC上運(yùn)行。 ~TA3將建立算法、協(xié)議和軟件基礎(chǔ)設(shè)施，將量子安全直接通信鏈接整合到運(yùn)行TCP/IP的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中。

TA3的能力預(yù)計(jì)將在第二階段開始在TA1 qNIC上運(yùn)行。 ~TA4將由政府合作伙伴組成，他們將提供一個(gè)集成測試平臺(tái)和一個(gè)單獨(dú)的測試和評(píng)估團(tuán)隊(duì)。集成團(tuán)隊(duì)將提供一個(gè)經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（節(jié)點(diǎn)、雙絞線和光纜），以及支持TA1-TA3能力集成的量子鏈路。 ? 政府預(yù)計(jì)將為TA1、TA2和TA3各授予一個(gè)或多個(gè)合同。根據(jù)本次招標(biāo)提交的每份提案書可以涉及這些TA的任何組合。涉及多個(gè)TA的提案應(yīng)明確分開，以便政府能夠?qū)彶椴⒂锌赡苁谟鑶蝹€(gè)TA。一個(gè)提交多個(gè)TA的提議者可能會(huì)被選中執(zhí)行任何提案的TA的組合。 ?

（一）TA1：量子網(wǎng)絡(luò)接口卡

TA1的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子鏈路和經(jīng)典節(jié)點(diǎn)之間互連的標(biāo)準(zhǔn)化。TA1將通過開發(fā)一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)接口卡（qNIC）來實(shí)現(xiàn)這一標(biāo)準(zhǔn)化。TA1將專注于光子領(lǐng)域的量子化，將qNIC實(shí)現(xiàn)為光學(xué)NIC的擴(kuò)展，并增加糾纏發(fā)生器和接收器，具有足夠的靈敏度來接收量子信息。該設(shè)備必須能夠在經(jīng)典信息的基礎(chǔ)上發(fā)送和接收量子信息，以及發(fā)送和接受量子授時(shí)和傳感信息。在整個(gè)項(xiàng)目中，預(yù)計(jì)將與TA2和TA3的解決方案緊密協(xié)調(diào)，強(qiáng)有力的提案將描述TA間合作的方法。

圖2：TA1的目標(biāo)概述：與目前不同，qNIC的用戶將利用強(qiáng)大的接口來實(shí)現(xiàn)量子信息的新用途

強(qiáng)有力的提案將描述： 1. 硬件和硬件封裝： （1） 量子硬件的互操作性，如光子源和糾纏生成器和接收器 o（2）支持與典型的經(jīng)典計(jì)算設(shè)備集成的以下包裝考慮： ? 環(huán)境堅(jiān)固性（振動(dòng)、溫度等） ? 在整個(gè)項(xiàng)目中減少初始尺寸、重量和功率（SWAP） 2.嵌入式軟件：qNIC嵌入式軟件處理量子數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)傳遞給TA2和TA3算法的操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)堆棧。該嵌入式軟件的應(yīng)用編程接口（API）應(yīng)描述： （1）可以捕獲并傳遞給網(wǎng)絡(luò)堆棧高層的量子信息的類型； （2）這些類型的量子信息如何與現(xiàn)有的經(jīng)典協(xié)議數(shù)據(jù)單位（例如，比特、數(shù)據(jù)包、以太網(wǎng)幀等）相匹配。強(qiáng)有力的提案將包括對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的擴(kuò)展或新協(xié)議的描述。 ? TA1硬件和硬件封裝 如圖2所示，QuANET TA1的承研者將專注于提供一個(gè)可配置的量子網(wǎng)絡(luò)接口卡。預(yù)計(jì)TA1提案將描述與經(jīng)典網(wǎng)卡硬件和量子硬件的整合。強(qiáng)有力的提案將描述量子和經(jīng)典硬件的整合：源，糾纏發(fā)生器，發(fā)射器，以及帶有時(shí)間同步硬件的接收器。包括短期量子存儲(chǔ)器（記憶緩沖器）和頻率轉(zhuǎn)換器的額外模塊必須詳細(xì)描述，并提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明。?

TA1的承研者可以預(yù)期在防止信號(hào)的重大損失，同時(shí)實(shí)現(xiàn)TA2應(yīng)用所需的量子經(jīng)典復(fù)用方面的挑戰(zhàn)。最近在時(shí)分復(fù)用（TDM）和波分復(fù)用（WDM）方面的工作表明，這種損失預(yù)防是可能的。強(qiáng)有力的TA1提案將解釋他們實(shí)現(xiàn)共存的方法，以及他們的方法如何緩解qNIC內(nèi)的重大損失。請(qǐng)注意，后續(xù)的圖5提供的指標(biāo)是指預(yù)期的源發(fā)射吞吐量。 ? 強(qiáng)有力的TA1提案將集中在硬件可配置性和環(huán)境加固上。雖然SWAP的改進(jìn)是可以預(yù)期的，但它們不應(yīng)該以犧牲其他項(xiàng)目指標(biāo)為代價(jià)。

TA1的軟件和能力架構(gòu) QuANET項(xiàng)目正在尋求一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使研究人員能夠推進(jìn)本BAA內(nèi)描述的各種用途，并實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的未來用例。TA1提案應(yīng)描述在數(shù)據(jù)被傳遞到操作系統(tǒng)的TCP/IP堆棧之前，qNIC上將發(fā)生的任何數(shù)據(jù)預(yù)處理。TA1提案應(yīng)描述qNIC上的嵌入式軟件預(yù)處理如何實(shí)現(xiàn)不同的TA2和TA3用例。TA1解決方案應(yīng)與一個(gè)或多個(gè)開源操作系統(tǒng)兼容，例如，在典型桌面系統(tǒng)上運(yùn)行的Linux或BSD變體。強(qiáng)有力的TA1提案可以描述新的協(xié)議，或?qū)ΜF(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)單元（例如，以太網(wǎng)幀）的擴(kuò)展，以封裝測量的量子信息。TA1提案應(yīng)描述這些新的協(xié)議或擴(kuò)展將如何與經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存。

TA1的承研者和項(xiàng)目集成要求 TA1的承研者應(yīng)具有量子通信硬件、制造定制網(wǎng)絡(luò)硬件和開發(fā)網(wǎng)絡(luò)接口卡的嵌入式軟件的經(jīng)驗(yàn)。此外，他們還應(yīng)該對(duì)主機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口和應(yīng)用編程接口（API）有深刻的理解。強(qiáng)有力的TA1提案應(yīng)說明，隨著TA2和TA3的反饋和新出現(xiàn)的要求，qNIC的設(shè)計(jì)和制造將如何實(shí)現(xiàn)，以及考慮到潛在的供應(yīng)鏈問題，他們將如何滿足項(xiàng)目時(shí)間要求。
? （二）TA2：數(shù)據(jù)流的量子增強(qiáng)

TA2將建立算法、協(xié)議和軟件基礎(chǔ)設(shè)施，用于將量子光子復(fù)用到經(jīng)典光流中，使量子授時(shí)和傳感信息能夠在經(jīng)典信息之上使用。將量子光子集成到經(jīng)典光數(shù)據(jù)流中，將使現(xiàn)有經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的量子通信的事件檢測、節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證和高保真計(jì)時(shí)機(jī)制成為可能。強(qiáng)有力的提案將描述這些機(jī)制在防止流氓/假冒節(jié)點(diǎn)進(jìn)入安全網(wǎng)絡(luò)、路由注入和定時(shí)攻擊方面的使用。這些描述應(yīng)該包括建議的解決方案如何擴(kuò)展或取代當(dāng)前的協(xié)議，如地址解析協(xié)議（ARP），或安全鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SNDP）。強(qiáng)有力的提案也將以經(jīng)典協(xié)議為基礎(chǔ)，利用長期以來一直保持彈性的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)堆棧。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的時(shí)鐘同步和光量子傳感的幾種方法已經(jīng)被提出并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。TA2團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)與TA1團(tuán)隊(duì)密切協(xié)調(diào)，以確保其協(xié)議所需的使能技術(shù)和底層功能可用。強(qiáng)有力的TA2提案將描述其方法所需的使能量子技術(shù)，并包括能夠證明其相對(duì)于其他潛在方法的優(yōu)勢的指標(biāo)。TA2提案者應(yīng)參考隨后的圖5指標(biāo)表，了解所涉及的三個(gè)用例的要求。強(qiáng)有力的TA2提案將描述他們的方法將如何實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)。TA2提案者不限于上述用例，可以包括不需要新型量子硬件的其他用例。

圖3：一個(gè)帶有量子增強(qiáng)鏈接的簡單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括竊聽和路由注入的例子
圖3中顯示了TA2技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。在第一個(gè)應(yīng)用中，Bob想向Alice發(fā)送一條信息。這個(gè)消息的預(yù)期路線是Bob -> Charlie -> Alice。然而，Mallory成功地劫持了信息路線，信息的路線是Bob -> Mallory -> Charlie -> Alice。當(dāng)Alice收到該消息時(shí)，TA2協(xié)議立即提醒Alice，該消息沒有通過預(yù)期的量子/經(jīng)典鏈接被路由。這種攻擊也可以通過TA2節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證協(xié)議提前緩解，確保Mallory無法作為有效節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)。在第二個(gè)應(yīng)用中，Eve試圖竊聽HAL和Carol之間的光纖鏈接。當(dāng)Carol收到來自HAL的信息時(shí)，TA2的事件檢測立即提醒Carol有攻擊者截獲了該信息。 ?

在TA2技術(shù)的每一個(gè)應(yīng)用中，量子信息都是在鏈中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上測量和創(chuàng)建的（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳感和定時(shí)信息傳播）。強(qiáng)有力的提案將定義如何通過網(wǎng)絡(luò)堆棧傳播從量子測量中獲得的數(shù)據(jù)，使這些量子測量在定義的場景中可用。強(qiáng)有力的提案將平衡量子傳感和計(jì)量能力，同時(shí)緩解網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算瓶頸。 ? TA2團(tuán)隊(duì)將需要在TA1 qNICs投入生產(chǎn)時(shí)測試和評(píng)估他們的方法。強(qiáng)有力的TA2提案將包括在整個(gè)項(xiàng)目中測試和評(píng)估其方法的方法。測試和評(píng)估方法包括，但不限于仿真器、模擬器和外部測試平臺(tái)。QuANET項(xiàng)目將不接受建立新的量子通信基礎(chǔ)設(shè)施的提案，但將考慮使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，如學(xué)術(shù)測試平臺(tái)和國家實(shí)驗(yàn)室。 ? 強(qiáng)有力的TA2提案將展示團(tuán)隊(duì)在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)算法和協(xié)議方面的專業(yè)知識(shí)，并結(jié)合當(dāng)前量子通信、傳感和計(jì)量能力的專業(yè)知識(shí)。 ?

（三）TA3：拓?fù)淞孔釉鰪?qiáng)技術(shù)

TA3的目標(biāo)是開發(fā)將量子鏈接整合到同時(shí)支持純經(jīng)典鏈接的網(wǎng)絡(luò)中的算法。TA2研究的是光流層面的量子/經(jīng)典整合；相比之下，TA3研究的是結(jié)合純量子和純經(jīng)典鏈接的效用。純量子鏈路的可用性將使該TA進(jìn)一步加強(qiáng)QuANET網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。TA3承研者的工作將確保使用嵌入量子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行量子信息傳輸?shù)陌踩浴??

一些量子算法和協(xié)議已經(jīng)被開發(fā)出來，用于量子安全直接通信鏈接。雖然經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法越來越多，但仍然有各種各樣的選擇，這些選擇依賴于高度專業(yè)化的量子硬件和硬件架構(gòu)。強(qiáng)有力的TA3提案將抽象出量子算法，使其在更大的一組使能技術(shù)上工作，同時(shí)與TA1團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)，以確保低級(jí)別的功能可用。 ? 許多量子通信協(xié)議只關(guān)注網(wǎng)絡(luò)堆棧的物理層中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議（PPP）。這些協(xié)議存在于網(wǎng)絡(luò)層的最底層，只處理對(duì)物理光子的操作。為了與經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施完全整合，TA3承研者還需要將標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)流量納入網(wǎng)絡(luò)堆棧的更高層，如頭文件解決路由、消息驗(yàn)證方案和量子鏈路中的損壞緩解。強(qiáng)有力的提案將描述這些標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)問題在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中的整合情況。 ? 預(yù)計(jì)TA3將解決整合經(jīng)典的流量損失恢復(fù)機(jī)制（即重傳）。強(qiáng)有力的TA3提案還將描述強(qiáng)大通信所需的退相干恢復(fù)機(jī)制的發(fā)展。

圖4：帶有量子和經(jīng)典鏈接的簡單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。安全路徑選擇需要確保在發(fā)送消息時(shí)使用正確的路線，特別是在要求量子編碼的安全性時(shí)

TA3承研者也要解決量子和經(jīng)典鏈接之間的互操作性。例如，在圖4中，從Charlie到HAL沒有純量子的路徑。

TA3團(tuán)隊(duì)將需要在TA1 qNIC投入生產(chǎn)時(shí)測試和評(píng)估他們的方法。強(qiáng)有力的TA3提案將包括在整個(gè)項(xiàng)目中測試和評(píng)估其方法的方法。測試和評(píng)估方法包括但不限于模擬器、仿真器和外部測試平臺(tái)。QuANET項(xiàng)目將不接受建立新的量子通信基礎(chǔ)設(shè)施的提案，但將考慮使用已有的基礎(chǔ)設(shè)施，如商業(yè)、學(xué)術(shù)和國家實(shí)驗(yàn)室的測試平臺(tái)。

TA3承研者將被初步評(píng)估，以驗(yàn)證對(duì)網(wǎng)絡(luò)的攻擊，以及在越來越多的節(jié)點(diǎn)和跳數(shù)的量子鏈路上的成功路由。提案者可以增加額外的指標(biāo)來強(qiáng)調(diào)所提出的解決方案的優(yōu)勢。 ? 強(qiáng)大的TA3提案將展示團(tuán)隊(duì)在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和安全方面的專業(yè)知識(shí)，結(jié)合當(dāng)前的量子通信算法，使量子安全的信息傳輸?shù)浇?jīng)典的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。 ?

四、QuANET項(xiàng)目階段和衡量標(biāo)準(zhǔn)

為了讓政府評(píng)估所提出的解決方案在實(shí)現(xiàn)既定項(xiàng)目目標(biāo)方面的有效性，以下項(xiàng)目指標(biāo)可作為確定是否正在取得令人滿意的進(jìn)展以保證繼續(xù)資助該項(xiàng)目的依據(jù)之一。盡管下列項(xiàng)目指標(biāo)是具體規(guī)定的，但提案者應(yīng)注意，政府確定這些目標(biāo)的目的是為了限制工作范圍，同時(shí)在提出解決所述問題的方案時(shí)給予最大的靈活性、創(chuàng)造性和創(chuàng)新性。 ? 提案書應(yīng)列舉建議的工作在每個(gè)階段的項(xiàng)目指標(biāo)衡量時(shí)將達(dá)到的定量和定性的成功標(biāo)準(zhǔn)。

圖5：QuANET項(xiàng)目指標(biāo)

第0階段只限于TA1承研者，將側(cè)重于qNIC的初始設(shè)計(jì)。在第0階段結(jié)束時(shí)，TA1承研者將完成qNIC的設(shè)計(jì)規(guī)范，并得到政府集成團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證，同時(shí)提出qNIC制造和測試的第1階段時(shí)間表。 ? 第1階段和第2階段將著重于開發(fā)利用光纖鏈接的能力。在第一階段結(jié)束時(shí)，TA1承研者將設(shè)計(jì)、制造和測試一個(gè)能夠傳輸kb/s級(jí)數(shù)據(jù)的qNIC。TA2承研者將達(dá)到至少70%的驗(yàn)證精度，在半天內(nèi)檢測出路由注入攻擊，在一天內(nèi)檢測出不需要的監(jiān)聽者。在6個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，TA3承研者將達(dá)到60%的攻擊驗(yàn)證準(zhǔn)確率和至少80%的路由確定成功率。

在第2階段結(jié)束時(shí)，與第一階段的結(jié)果相比，TA1承研者將開發(fā)出一個(gè)吞吐量提高50%的qNIC。TA2承研者將把驗(yàn)證準(zhǔn)確率提高到80%，把路由注入檢測時(shí)間減少到一小時(shí)，把不需要的監(jiān)聽器檢測時(shí)間減少到十二小時(shí)。在20個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)上，TA3承研者將把攻擊驗(yàn)證精度提高到至少80%，路由確定的成功率至少達(dá)到90%。 ? 第3階段將重點(diǎn)關(guān)注空中鏈接。TA1的光纖qNIC將達(dá)到Mb/s的吞吐量，并建立一個(gè)空中接口組件設(shè)計(jì)。TA2和TA3將實(shí)現(xiàn)空中通信所需的算法設(shè)計(jì)變化。 ?

五、QuANET項(xiàng)目時(shí)間表和里程碑

QuANET的目的是生產(chǎn)第一個(gè)可投入使用的量子增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。QuANET將在項(xiàng)目初期與潛在的技術(shù)轉(zhuǎn)化伙伴進(jìn)行合作，并在整個(gè)項(xiàng)目過程中不斷進(jìn)行合作，以確保QuANET的能力支持技術(shù)轉(zhuǎn)化伙伴的需求。合作將確保國防部（DoD）的相關(guān)性，并為QuANET提供對(duì)快速發(fā)展的量子通信狀態(tài)的持續(xù)理解。 ? 技術(shù)轉(zhuǎn)化伙伴將在預(yù)定的集成、研討會(huì)和主要研究人員（PI）會(huì)議上與承研者互動(dòng)。集成活動(dòng)將每十二個(gè)月舉行一次，而研討會(huì)和PI會(huì)議將每三個(gè)月交替舉行。 ? 政府將指定所有項(xiàng)目活動(dòng)（即啟動(dòng)儀式、PI會(huì)議、整合、研討會(huì)等）的地點(diǎn)，以便親自進(jìn)行。出于預(yù)算的目的，假設(shè)地點(diǎn)在華盛頓特區(qū)和加州圣地亞哥之間交替進(jìn)行，從華盛頓特區(qū)開始。 ? 圖6顯示了帶有相應(yīng)活動(dòng)的項(xiàng)目時(shí)間表的摘要。

圖6：QuANET項(xiàng)目時(shí)間表

編輯：黃飛

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