Kvantenetværk

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. december 2015; checks kræver 40 redigeringer .

Et kvantenetværk  er et kommunikationsnetværk, der beskytter overførte data ved hjælp af kvantemekanikkens grundlæggende love. Det er en praktisk implementering af den såkaldte kvantekryptografi . Kvantenetværk udgør et vigtigt element i kvantecomputere og kvantekryptografisystemer . De tillader transport af kvanteinformation mellem fysisk adskilte kvantesystemer. I distribueret kvanteberegning kan netværksknuder i et netværk behandle information ved at fungere som kvanteporte . Sikker datatransmission kan implementeres ved hjælp af kvantenøglefordelingsalgoritmer .

I kvantenetværk, der bruger optisk fiber eller fri plads som transmissionsmedium, spiller transmissionen af ​​rene kvantetilstande i form af fotoner over lange afstande en vigtig rolle .

Ideen om kvantenetværk er blevet aktivt diskuteret efter vellykkede kvanteteleporteringseksperimenter[ angiv ] .

Ansøgning

Kvantenøglefordeling

Mange eksisterende kvantenetværk er blevet udviklet til at understøtte kvantenøglefordeling (QKD) mellem klassiske computermiljøer. Denne anvendelse af kvantenetværk gør det nemt at dele en hemmelig krypteringsnøgle mellem to parter. I modsætning til klassiske nøglefordelingsalgoritmer, såsom Diffie-Hellman nøgleudvekslingsalgoritme , giver kvantenøglefordeling sikkerhed gennem fysiske egenskaber snarere end vanskeligheden ved et matematisk problem. Den første kvantenøglefordelingsprotokol, BB84 , blev foreslået af Charles Bennett og Gilles Brassard i 1984 og er blevet implementeret i mange forskningskvantenetværk. I denne protokol sendes qubits fra den ene side til den anden gennem et usikkert kvantenetværk. På grund af kvantemekanikkens egenskaber og ikke-kloningssætningen kan en aflytning ikke bestemme nøglen uden at blive opdaget af afsender og modtager. Mens BB84-protokollen er afhængig af en superposition af qubit-tilstande for at detektere aflytning, bruger andre protokoller sammenfiltrede qubits . Disse er E91-protokollerne foreslået af Arthur Eckert og BBM92 foreslået af Charles Bennet , Gilles Brassard og David Mermin

Kvantetilstandsoverførsel

I et stort kvantecomputersystem kan mange individuelle kvantecomputere interagere og transmittere data over et netværk. Med en sådan interaktion er det fordelagtigt for netværket at understøtte transmissionen af ​​sammenfiltrede qubits . Overvej følgende scenarie: en kvantecomputer, hver indeholder qubits . I et klassisk netværk ville det tage en smule data at transmittere den komplette tilstand af en enkelt kvantecomputer. Men ved hjælp af et kvantenetværk kan tilstanden transmitteres ved hjælp af qubits . Ligeledes, hvis det er muligt at opnå sammenfiltring mellem alle computere i et netværk, vil systemet som helhed have unified state spaces, i modsætning til klassisk forbundne kvantecomputere.

Arbejdsmetode

Fysisk lag

Den vigtigste måde, hvorpå kvantenetværk interagerer over lange afstande, er gennem brugen af ​​optiske netværk og fotoniske qubits . Optiske netværk har den fordel, at de genbruger eksisterende fiber . Og gratis netværk kan implementeres på en sådan måde, at de kan transmittere kvanteinformation "over the air", altså uden brug af strukturerede udbredelsesmedier.

Fiberoptiske netværk

Optiske netværk kan implementeres ved hjælp af eksisterende tele- og telekommunikationsudstyr. På afsendersiden kan en kilde til enkelte fotoner skabes ved kraftigt at dæmpe en standard telekommunikationslaser, så det gennemsnitlige antal fotoner udsendt pr. impuls er mindre end én. For at opnå denne effekt bruges en lavinefotodiode . Forskellige metoder til fase- og polarisationsjustering kan også anvendes, såsom stråledelere og interferometre . I tilfælde af sammenfiltringsbaserede protokoller genereres sammenfiltrede fotoner gennem spontan parametrisk spredning . I begge tilfælde kan telekommunikationsfiberen multiplekses for at sende ikke-kvantesynkroniserings- og styresignaler.

Frirum netværk

Quantum free space-netværk ligner fiberoptiske netværk, men er afhængige af betragtningsvinklen mellem kommunikerende parter i stedet for at bruge en fiberoptisk forbindelse . Frirumsnetværk understøtter typisk højere transmissionshastigheder end fiberoptiske netværk og tager ikke højde for polarisationsskiftet forårsaget af fiber .

Kvanteelektrodynamik af et hulrum

Telekommunikationslasere og spontan parametrisk spredning kombineret med fotodetektorer kan bruges til kvantenøglefordeling. Men for sammenfiltrede kvantesystemer er det vigtigt at lagre og gentransmittere kvanteinformation uden at ødelægge de underliggende tilstande. Kvanteelektrodynamik af et hulrum er en af ​​de mulige metoder til at løse dette problem. Her kan fotoniske kvantetilstande overføres både til og fra atomare kvantetilstande lagret i individuelle atomer i optiske hulrum. Ud over at skabe fjernsammenfiltring mellem fjerne atomer tillader dette overførsel af kvantetilstande mellem individuelle atomer ved hjælp af optisk fiber .

Støjende kanaler

Kvanterepeatere

Datatransmission over lange afstande hæmmes af virkningerne af signaltab og dekohærens, der er iboende i de fleste transportmedier såsom optisk fiber. Klassisk datatransmission bruger forstærkere til at forbedre signalet under transmission, men i kvantenetværk kan forstærkere ifølge no-cloning theoremet ikke bruges. Et alternativ til forstærkere i kvantenetværk er kvanteteleportation , som transmitterer kvanteinformation (qubits) til en modtager. Dette undgår problemerne forbundet med at sende enkelte fotoner over en lang transmissionslinje med højt tab . Kvanteteleportering kræver dog et par sammenfiltrede qubits , en i hver ende af transmissionslinjen. Kvanterepeatere gør det muligt at skabe entanglement ved fjerne knudepunkter uden fysisk at sende en entangled qubit over hele afstanden.

I dette tilfælde består kvantenetværket af mange korte kommunikationskanaler , ti eller hundreder af kilometer lange. I det enkleste tilfælde, med en repeater, oprettes to par sammenfiltrede qubits: et placeret på afsenderen og repeateren, og det andet par på henholdsvis repeateren og modtageren. Disse indledende sammenfiltrede qubits er nemme at skabe, såsom gennem spontan parametrisk spredning , ved fysisk at overføre en qubit til en naboknude. I dette tilfælde kan repeateren måle Bell-tilstanden på qubits og dermed teleportere kvantetilstanden til . Dette har den effekt at "bytte" sammenfiltringen, sådan at de nu er viklet ind i en afstand 2 gange stærkere end de indledende sammenfiltrede par af qubits. Netværk af sådanne repeatere kan bruges på både lineære og hierarkiske måder til at skabe sammenfiltring over lange afstande.

Fejlrettelser

Datatransmissionsfejl kan opdeles i to typer: tabsfejl (på grund af fiber-/medieegenskaber) og driftsfejl (såsom depolarisering, dephasing osv.). Mens redundans kan bruges til at opdage og rette fejl i et klassisk netværk, forhindres oprettelsen af ​​redundante qubits af no-cloning-sætningen. Derfor introduceres andre typer fejlkorrektion, som Shor-koden eller en af ​​de mere generelle og effektive algoritmer. Deres funktionsprincip er at distribuere kvanteinformation gennem multiplicerede sammenfiltrede qubits, så både ydeevnefejl og tabsfejl kan korrigeres.

Ud over kvantefejlkorrektion kan klassisk fejlkorrektion bruges af kvantenetværk i særlige tilfælde såsom kvantenøglefordeling. I disse tilfælde er målet med kvantetransmission at transmittere en række klassiske bits pålideligt. For eksempel kan en Hamming-kode anvendes på en streng af bit før kodning og transmission af data i et kvantenetværk.

Klassiske netværk, der bruger kvantenøgledistribution til klassisk kryptografi

To virksomheder, idQuantique( Schweiz ), MagiQTech( USA ) tilbyder kommercielt tilgængelige enheder til kvantenøgledistribution og klassisk kryptografi [1] .

Forskere fra Kazan Quantum Center KNITU-KAI og ITMO University lancerede i fællesskab et pilotsegment af det første multi-node kvantenetværk i Rusland (4 noder, omkring hundrede kbps af en sigtet kvantesekvens, linjer nogle få kilometer lange). [2]

I Kina blev oprettelsen af ​​en kvantekommunikationslinje i november 2016 afsluttet[ ukendt udtryk ][ afklar ] 712 kilometer lang Hefei-Shanghai med 11 stationer, byggeriet tog 3 år. Ifølge Chen Yu'ao er det planlagt, at en Beijing-Shanghai-linje med en samlet længde på omkring 2 tusinde km [3] [4] [5] vil blive oprettet på grundlag heraf .

Kvante "Internet"

Der fremsættes forslag om at skabe kvantenetværk, hvor noder vil lagre kvantetilstande og udveksle dem gennem et "kvantenetværk" med henblik på at skabe geografisk distribuerede kvantesammenfiltrede systemer [6] .

Kvantetelefoni

I maj 2019 gennemførte russiske videnskabsmænd fra Center for Scientific Research and Advanced Development af Infotex-virksomheden og Center for Quantum Technologies ved Moscow State University opkaldt efter M.V. Lomonosov med succes offentlige tests af den første russiske kvantetelefon ViPNet QSS Phone, som er en del af af det sikre telefonikompleks udviklet og implementeret af dem ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS). Arrangørerne afholdt den første session med stemmekommunikation, beskyttet af kvantenøgledistribution , mellem kontorerne for Infotex og Center for Quantum Technologies ved Moscow State University [7] . Den indenlandske kvantetelefon ViPNet QSS Phone, som har været arbejdet på i mere end tre år, er ikke udsat for kendte angreb ved hjælp af kvantecomputere. Testens succes blev bekræftet af specialister fra kompetencecentret for National Technology Initiative (NTI) "Center for Quantum Technologies". Kvantetelefoniinstallationer (ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) komplekser og ViPNet QSS Phone kvantetelefoner til dem) vil begynde at komme til salg i 2020 [8] .

Se også

Noter

  1. ↑ Antonello Cutolo, Photonics for Safety and Security , 2013, ISBN 9789814412971 . Side 264 “ff Kvantenøgledistributionssystemer baseret på DV er til salg hos MagiQ Tech. (USA) og id-Quantique (Schweiz)"
  2. ↑ ITMO Universitet. ITMO og KAI universiteter lancerer landets første multi-node kvantenetværk . ITMO Universitetets officielle portal. Hentet 22. august 2016. Arkiveret fra originalen 18. august 2016.
  3. ↑ BEIJING, 25. november - RIA Novosti, Ivan Bulatov. Medierne rapporterede, at Kina vil bygge en ny kvantekommunikationslinje . https://ria.ru+ (25. november 2016). Dato for adgang: 26. november 2016. Arkiveret fra originalen 25. november 2016.
  4. ↑ Kina lancerer verdens længste kvantekommunikationslinje - International - Hinduen . Hentet 26. november 2016. Arkiveret fra originalen 27. november 2016.
  5. ↑ Ultrasikkert link går på nettet | Shanghai Daily . Hentet 26. november 2016. Arkiveret fra originalen 27. november 2016.
  6. ↑ The Quantum Internet: HJ Kimble, The Quantum Internet. Nature, bind. 453. (2008) s. 1023-1030. Arkiveret 18. august 2016 på Wayback Machine
  7. ↑ Den kommercielle version af den første russiske kvantetelefon blev testet med succes i Moskva . TASS. Hentet 28. maj 2019. Arkiveret fra originalen 28. maj 2019.
  8. ↑ IT-ekspert: CCT og InfoTeKS demonstrerede driften af ​​Ruslands første kvantetelefon . www.it-world.ru Hentet 28. maj 2019. Arkiveret fra originalen 28. maj 2019.

Litteratur

Links