量子网络的 OSI 栈重构：需求、技术、挑战与未来方向
量子物理
2025-06-17 v1 密码学与安全
信息论
机器学习
网络与互联网体系结构
math.IT
摘要
量子通信有望成为下一代网络的基础要素，在安全性、基于纠缠的连接性和计算卸载方面提供变革性能力。然而，经典的 OSI 模型是为确定性和容错系统设计的，无法支持量子特有现象，如相干脆弱性、概率性纠缠和不可克隆定理。本文提供了一项全面综述，并针对 7G 背景下的量子网络提出了 OSI 模型的架构重构。我们通过引入第 0 层（量子基底）和第 8 层（认知意图）扩展经典模型，提出了量子融合 OSI 栈，支持纠缠、隐形传态以及通过大语言模型和量子机器学习进行的语义编排。每一层均被重新定义以纳入量子机制，如增强的 MAC 协议、保真度感知路由和孪生应用。本综述整合了来自 IEEE、ACM、MDPI、arXiv 和 Web of Science（2018–2025 年）的超过 150 篇研究工作，按 OSI 层进行分类，涵盖量子密钥分发、量子纠错、后量子密码学和可重构智能表面等使能技术，以及卫星量子密钥分发、无人机集群和量子物联网等用例。我们提供了混合量子-经典控制、元数据驱动编排和区块链集成量子信任等跨层使能器的分类法，以及 NetSquid、QuNetSim 和 QuISP 等仿真工具。我们展示了多个领域特定应用，包括量子医疗遥测、纠缠车联网和卫星网格覆盖层。评估框架基于熵吞吐量、相干延迟和纠缠保真度提出。关键未来方向包括可编程量子栈、数字孪生和 AI 定义的量子网络智能体，为构建可扩展、智能且符合量子规范的 7G 及未来 OSI 框架奠定基础。
引用
@article{arxiv.2506.12195,
title = {OSI Stack Redesign for Quantum Networks: Requirements, Technologies, Challenges, and Future Directions},
author = {Shakil Ahmed and Muhammad Kamran Saeed and Ashfaq Khokhar},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.12195},
year = {2025}
}