Квантова мережа — мережа зв'язку, де передача інформації здійснюється у вигляді кубітів між фізично розділеними квантовими процесорами. Квантові мережі є важливим елементом квантових обчислень та систем квантового зв'язку. Квантовий процесор — це невеликий квантовий комп'ютер, здатний виконувати квантові логічні операції над певною кількістю кубітів. Квантові мережі працюють подібно до класичних мереж. Головна відмінність полягає в тому, що квантові мережі, як і квантові обчислення, краще вирішують певні проблеми, такі як моделювання квантових систем.
Основи
Квантові мережі для обчислень Мережеві квантові обчислення або розподілені квантові обчислення працюють шляхом з'єднання кількох квантових процесорів у квантову мережу з пересиланням кубітів між ними. Це створює кластер квантових обчислень і, отже, створює більший обчислювальний потенціал. Таким чином можна зв'язати менш потужні комп'ютери, щоб створити один більш потужний процесор. Це аналогічно підключенню кількох класичних комп'ютерів для формування комп'ютерного кластера в класичних обчисленнях. Як і класичні обчислення, ця система є масштабованою шляхом додавання більшої і більшої кількості квантових комп'ютерів до мережі. У даний час квантові процесори рознесені лише на невеликі відстані.
Квантові мережі для зв'язку У царині квантового зв'язку потрібно передати кубіти від одного квантового процесора до іншого на великі відстані. Таким чином локальні квантові мережі можуть бути з'єднані в квантовий Інтернет. Квантовий Інтернет підтримує багато застосувань, які отримують свої можливості від того, що, створюють квантово заплутані кубіти, інформація може передаватися між віддаленими квантовими процесорами. Більшість програм квантового Інтернету вимагають лише дуже скромних квантових процесорів. Для більшості квантових Інтернет-протоколів, таких як квантове розповсюдження ключа в квантовій криптографії, достатньо того що ці процесори здатні підготувати та виміряти лише один кубіт. У цьому відмінність від квантових обчислень, де цікаві програми можуть бути реалізовані лише тоді, коли квантові процесори можуть легко імітувати більше кубітів, ніж класичний комп'ютер (близько 60). Застосування у квантовому Інтернеті вимагають лише невеликих квантових процесорів, часто лише одного кубіта, оскільки квантове заплутування вже може бути реалізовано між двома кубітами. Моделювання системи з квантовою заплутаністю на класичному комп'ютері не може одночасно забезпечити і безпеку, і швидкість.
Огляд елементів квантової мережі Основна структура квантової мережі та взагалі квантового Інтернет є аналогом класичної мережі. По-перше, існують кінцеві вузли, на яких працюють програми. Ці кінцеві вузли є квантовими процесорами принаймні з одним кубітом. Деякі програми квантового Інтернету вимагають квантових процесорів кількох кубітів, а також квантової пам'яті в кінцевих вузлах.
По-друге, для транспортування кубітів від одного вузла до іншого потрібні лінії зв'язку. Для цілей квантового зв'язку можуть використовуватися стандартні телекомунікаційні волокна. Для мережевих квантових обчислень, в яких квантові процесори пов'язані на невеликій відстані, вибираються різні довжини хвиль залежно від точної апаратної платформи квантового процесора.
По-третє, для максимального використання комунікаційної інфраструктури потрібні , здатні доставити кубіти до визначеного квантового процесора. Ці комутатори повинні зберігати квантову когерентність, що робить їх складнішими для реалізації, ніж стандартні оптичні комутатори.
Нарешті, для перенесення кубітів на великі відстані потрібен квантовий повторювач. Повторювачі встановлюються між кінцевими вузлами. Оскільки кубіти неможливо скопіювати, класичне посилення сигналу неможливе. Тому квантовий повторювач працює принципово інакше, ніж класичний повторювач.
Елементи квантової мережі
Кінцеві вузли: квантові процесори Кінцеві вузли можуть як приймати, так і передавати інформацію.
Телекомунікаційні лазери та параметричне перетворення у поєднанні з фотодетекторами можуть бути використані для квантового розповсюдження ключа. У цьому випадку кінцеві вузли у багатьох випадках можуть бути дуже простими пристроями, що складаються лише з дільника променя і фотодетекторів.
Однак для багатьох протоколів бажані більш досконалі кінцеві вузли. Ці системи забезпечують розширені можливості обробки, а також можуть використовуватися як квантові повторювачі. Їх головна перевага полягає в тому, що вони можуть зберігати та повторно передавати квантову інформацію, не порушуючи базовий квантовий стан. Квантовий стан може зберігатися або відносним спіном електрона в магнітному полі, або енергетичним станом електрона. Вони також можуть реалізовувати квантові логічні вентилі.
Одним із способів реалізації таких кінцевих вузлів є використання азотно-заміщених вакансій у алмазі. Ця система утворює невеликий квантовий процесор з кількома кубітами. Азотно-заміщені вакансії можна використовувати при кімнатній температурі. Маломасштабні квантові алгоритми та вже були продемонстровані в цій системі, як і можливість заплутати два віддалених квантові процесори та виконання детермінованої квантової телепортації.
Іншою можливою платформою є квантові процесори на основі іонних пасток, які використовують радіочастотні магнітні поля та лазери. У багатовидовій мережі на іонних пастках фотони, заплутані батьківським атомом, використовуються для переплутування різних вузлів. Крім того, одним із можливих методів цього є . У квантовій електродинаміці на оптичних резонаторах квантові стани фотонів можуть переноситися в квантові стани атомів, що зберігаються в окремих атомах, що містяться в оптичних порожнинах. Це дозволяє передавати квантові стани між одиночними атомами за допомогою оптичного волокна на додаток до створення заплутаності між віддаленими атомами.
Лінії зв'язку: фізичний рівень На великих відстанях основним методом роботи квантових мереж є використання оптичних мереж та фотонних кубітів. Це пов'язано з тим, що оптичні мережі мають нижчий шанс декогеренції. Перевага оптичних мереж полягає в можливості повторного використання існуючих оптичних волокон. Як альтернативи можуть бути реалізовані мережі у вільному просторі, які передають квантову інформацію через атмосферу або через вакуум.
Оптоволоконні мережі Оптичні мережі з використанням існуючих телекомунікаційних оптичних волокон можуть бути реалізовані з використанням апаратного забезпечення, подібного до існуючого телекомунікаційного обладнання. Це волокно може бути як одномодовим, так і багатомодовим, де багатомодовий режим забезпечує точнішу комунікацію. На стороні відправника однофотонне джерело можна створити, сильно послаблюючи стандартний телекомунікаційний лазер, таким чином, щоб середня кількість фотонів за імпульс була менше 1. Для прийому може використовуватись . Можуть бути використані різні методи керування фазою або поляризацією, такі як інтерферометри та дільники променя. У випадку використання протоколів, заснованих на заплутаності, заплутані фотони можуть генеруватися за допомогою спонтанного параметричного розсіяння. У обох випадках телекомунікаційне волокно може мультиплексуватися для передачі неквантових сигналів синхронізації та керування.
Мережі у вільному просторі Квантові мережі у вільному просторі працюють подібно до оптоволоконних мереж, але покладаються на пряму видимість між сторонами, що комунікують замість використання оптоволоконного з'єднання. Мережі у вільному просторі зазвичай можуть підтримувати вищі швидкості передачі, ніж оптоволоконні мережі, і їм не доводиться враховувати скремблювання поляризації, спричинене оптичним волокном. Однак на великих відстанях комунікації у вільному просторі збільшується ймовірність порушення фотонів навколишнім середовищем.
Важливо, що зв'язок у вільному просторі також можливий від супутника до Землі. Був продемонстрований квантовий супутник, здатний до розподілу із заплутуванням на відстані 1203 км Також повідомляється про експериментальний обмін одиночними фотонами з глобальної навігаційної супутникової системи на відстані 20 000 км по косій. Ці супутники можуть зіграти важливу роль у з'єднанні менших наземних мереж на великих відстанях.
Повторювачі Наслідки втрати сигналу та декогеренція, властиві більшості транспортних середовищ, таких як оптичне волокно заважають зв'язку на великі відстані. У класичній комунікації підсилювачі можуть використовуватися для посилення сигналу під час передачі, але в квантовій мережі підсилювачі не можуть бути використані, оскільки кубіти не можна копіювати у відповідності до теореми про заборону клонування. Тобто для реалізації підсилювача потрібно було б визначити повний стан кубіта, який передається, що є і небажаним, і неможливим.
Довірені повторювачі Проміжним етапом, що дозволяє перевірити комунікаційну інфраструктуру, є довірені повторювачі. Важливо, що довірений повторювач не може використовуватися для передачі кубітів на великі відстані. Натомість довірений повторювач може бути використаний лише для виконання квантового розповсюдження ключа з додатковим припущенням, що повторювач є довіреним. Розглянемо два кінцеві вузли A і B, а посередині надійний повторювач R. A і R тепер виконують квантове розповсюдження ключа для генерації ключа . Подібним чином R і B запускають квантове розповсюдження ключа для генерації ключа . A і B тепер можуть обчислити ключ між собою таким чином: A надсилає на R, зашифрований ключем . R розшифровує, щоб отримати . Потім R повторно шифрує , використовуючи ключ , і надсилає його до B. B розшифровує, щоб отримати . A і B тепер мають спільний ключ . Ключ захищений від зовнішнього підслуховувача, але очевидно, що повторювач R також знає . Це означає, що будь-яке подальше спілкування між А і В не забезпечує наскрізної безпеки, але безпечне лише до тих пір, поки А і В довіряють повторювачу R.
Квантові повторювачі
Справжній квантовий повторювач дозволяє наскрізну (між кінцевими вузлами) генерацію квантової заплутаності, а отже — за допомогою квантової телепортації — передавання кубітів між кінцевими вузлами. У протоколах квантового розповсюдження ключа можна перевірити наявність такого заплутування. Це означає, що під час створення ключа шифрування відправник і одержувач захищені, навіть якщо вони не довіряють квантовому ретранслятору. Будь-яке інше застосування квантового Інтернету також вимагає наскрізної передачі кубітів, і, отже, квантового повторювача.
Квантові повторювачі дозволяють переплутування і можуть бути встановлені у віддалених вузлах без фізичного відправлення заплутаного кубіта на всю відстань.
У цьому випадку квантова мережа складається з множини зв'язків на короткі відстані, що складають, можливо, десятки або сотні кілометрів. У найпростішому випадку одного повторювача встановлюються дві пари заплутаних кубітів: і , між відправником і повторювачем, а друга пара і розташована між повторювачем та приймачем. Ці початкові заплутані кубіти можна легко створити, наприклад, за допомогою спонтанного параметричного розсіяння, причому один кубіт фізично передається на сусідній вузол. На даний момент повторювач може виконати на кубітах і таким чином телепортуючи квантовий стан на . Це призводить до «обміну» переплутанням таким чином, що і тепер заплутані на відстані, вдвічі більшій, ніж у початкових заплутаних пар. Видно, що мережа таких повторювачів може використовуватися лінійно або ієрархічно для встановлення заплутаності на великі відстані.
Апаратні платформи, придатні до використання кінцевими вузлами, можуть також функціонувати як квантові повторювачі. Однак існують також апаратні платформи, придатні до використання лише як повторювачі, без можливості виконання квантових логічних вентилів.
Виправлення помилок