Кванттық процессорларды байланыстыратын желілер

Кіріспе

Кванттық процессорларды байланыстыратын желілер, кванттық желілерді іске асыру және жұмыс істеуі.

Кванттық желілер кванттық есептеу және кванттық коммуникация жүйелерінің маңызды бөлігін құрайды. Кванттық желілер физикалық түрде бөлек орналасқан кванттық процессорлар арасында кванттық биттер, яғни кубиттер түрінде ақпаратты жіберуге мүмкіндік береді. Кванттық процессор – белгілі бір мөлшердегі кубиттерде кванттық тізбектерді орындай алатын құрылғы. Кванттық желілер классикалық желілер сияқты жұмыс істейді. Басты айырмашылық – кванттық желілер, кванттық есептеулер сияқты, кейбір мәселелерді шешуде тиімдірек, мысалы, кванттық жүйелерді модельдеуде.

Есептеу үшін кванттық желілер

Желілік кванттық есептеу немесе таратылған кванттық есептеу кванттық желі арқылы бірнеше кванттық процессорларды байланыстырып, араларына кубиттер жіберу арқылы жұмыс істейді. Осылай істеу кванттық есептеу кластерін құрады, демек, есептеу мүмкіндіктерін арттырады. Төмен қуатты компьютерлерді осылай байланыстыру арқылы күштірек процессор жасауға болады. Бұл классикалық есептеуде бірнеше классикалық компьютерлерді компьютер кластерін құру үшін қосуға ұқсас. Классикалық есептеу сияқты, бұл жүйе де желіге көбірек кванттық компьютерлерді қосу арқылы кеңейтіледі. Қазіргі уақытта кванттық процессорлар тек қысқа қашықтықта ғана бөлінген.

Байланыс үшін кванттық желілер

Кванттық байланыс саласында, кванттық процессордан екіншісіне қашықтыққа кубиттерді жіберу қажет. Осылайша, жергілікті кванттық желілерді кванттық интернетке біріктіруге болады. Кванттық интернет көптеген қолданыстарды қолдайды, олардың қуаты кванттық байланысқан кубиттерді жасау арқылы алыс кванттық процессорлар арасында ақпаратты тарату мүмкіндігінен туындайды. Кванттық интернеттің көптеген қолданыстары үшін тек қарапайым кванттық процессорлар ғана қажет. Кванттық кілт тарату сияқты кванттық криптографиядағы көптеген кванттық интернет-протоколдары үшін, процессорлар бір уақытта тек бір кубитті дайындауға және өлшеуге қабілетті болса жеткілікті. Бұл кванттық есептеулерден өзгеше, онда қызықты қолданыстарды жүзеге асыру үшін (біріктірілген) кванттық процессорлар классикалық компьютерге қарағанда көптеген кубиттерді (шамамен 60) модельдеуге шамасы болуы керек. Кванттық интернет-қолданыстарына тек кішкентай кванттық процессорлар, көбінесе бір ғана кубит қажет, себебі кванттық байланыс екі кубит арасында жүзеге асырыла береді. Классикалық компьютерде кванттық жүйенің моделін жасау бір уақытта қауіпсіздік пен жылдамдықты бірдей қамтамасыз ете алмайды.

Кванттық желі элементтерінің шолу

Кванттық желінің негізгі құрылымы және жалпы алғанда кванттық интернет классикалық желіге ұқсас. Біріншіден, қолданбалар іске қосылатын соңғы түйіндер бар. Бұл түйіндер кем дегенде бір кубиттік кванттық процессорлар болып табылады. Кванттық интернеттің кейбір қолданбалары бірнеше кубиттік кванттық процессорларды, сондай-ақ соңғы түйіндерде кванттық жадты қажет етеді. Екіншіден, кубиттерді бір түйінден екіншісіне тасымалдау үшін байланыс желілері қажет. Кванттық байланыс үшін стандартты телекоммуникациялық талшықтарды қолдануға болады. Желілік кванттық есептеулерде, кванттық процессорлар қысқа қашықтықта байланысқанда, кванттық процессордың нақты аппараттық платформасына байланысты әртүрлі толқын ұзындығы таңдалады. Үшіншіден, байланыс инфрақұрылымын барынша пайдалану үшін, кубиттерді арналған кванттық процессорға жеткізе алатын оптикалық коммутаторлар қажет. Бұл коммутаторлар кванттық когеренттілікті сақтау керек, бұл оларды стандартты оптикалық коммутаторлардан іске асыруды қиындатады. Соңында, кубиттерді ұзақ қашықтарға тасымалдау үшін кванттық қайталаушы қажет. Қайталаушылар соңғы түйіндер арасында орналасады. Кванттық кілт тарату үшін телекоммуникациялық лазерлер мен фотодетекторлармен біріктірілген параметрлік төмендетуді пайдалануға болады. Мұндай жағдайда соңғы түйіндер көбінесе тек сәуле бөлушілер мен фотодетекторлардан тұратын өте қарапайым құрылғылар болуы мүмкін. Дегенмен, көптеген протоколдар үшін күрделірек соңғы түйіндер қажет. Бұл жүйелер кеңейтілген өңдеу мүмкіндіктерін ұсынады және кванттық қайталаушылар ретінде де қолданылуы мүмкін. Олардың басты артықшылығы – кванттық ақпаратты негізгі кванттық күйді бұзбай сақтап, қайта тарату мүмкіндігі. Сақталатын кванттық күй – магнит өрісіндегі электронның салыстырмалы спині немесе электронның энергиялық күйі болуы мүмкін. Бұл жүйеде екі және үш кванттық процессорларды байланыстыру және кванттық телепортацияны жүзеге асыру мүмкіндігі көрсетілді. Тағы бір мүмкін платформа – радиожиіліктік магнит өрістері мен лазерлерді пайдаланатын иондық тұзақтарға негізделген кванттық процессорлар. Сондай-ақ, қуыс кванттық электродинамикасы (Cavity QED) осы мақсатқа қолданылатын әдістердің бірі болып табылады. Cavity QED-де фотондық кванттық күйлер оптикалық қуыстарда сақталған атомдық кванттық күйлерге және керісінше ауыстырылуы мүмкін. Бұл оптикалық талшықты пайдалану арқылы жеке атомдар арасында кванттық күйлерді беруге, сондай-ақ алысқа орналасқан атомдар арасында қашықтықтан байланыстыруды құруға мүмкіндік береді.

The basic structure of a quantum network and more generally a quantum internet is analogous to a classical network. First, we have end nodes on which applications are ultimately run. These end nodes are quantum processors of at least one qubit. Some applications of a quantum internet require quantum processors of several qubits as well as a quantum memory at the end nodes. Second, to transport qubits from one node to another, we need communication lines. For the purpose of quantum communication, standard telecom fibers can be used. For networked quantum computing, in which quantum processors are linked at short distances, different wavelengths are chosen depending on the exact hardware platform of the quantum processor. Third, to make maximum use of communication infrastructure, one requires optical switches capable of delivering qubits to the intended quantum processor. These switches need to preserve quantum coherence, which makes them more challenging to realize than standard optical switches. Finally, one requires a quantum repeater to transport qubits over long distances. Repeaters appear in between end nodes. Telecommunication lasers and parametric down conversion combined with photodetectors can be used for quantum key distribution. In this case, the end nodes can in many cases be very simple devices consisting only of beamsplitters and photodetectors. However, for many protocols more sophisticated end nodes are desirable. These systems provide advanced processing capabilities and can also be used as quantum repeaters. Their chief advantage is that they can store and retransmit quantum information without disrupting the underlying quantum state. The quantum state being stored can either be the relative spin of an electron in a magnetic field or the energy state of an electron. has already been demonstrated in this system, as well as the ability to entangle two and three quantum processors, and perform deterministic quantum teleportation. Another possible platform are quantum processors based on Ion traps, which utilize radio frequency magnetic fields and lasers. Also, cavity quantum electrodynamics (Cavity QED) is one possible method of doing this. In Cavity QED, photonic quantum states can be transferred to and from atomic quantum states stored in single atoms contained in optical cavities. This allows for the transfer of quantum states between single atoms using optical fiber in addition to the creation of remote entanglement between distant atoms.

Байланыс желілері: физикалық қабат

Ұзақ қашықтықтарда кванттық желілерді пайдаланудың басты әдісі – оптикалық желілер мен фотонға негізделген кубиттерді қолдану. Бұл оптикалық желілерде декогеренция ықтималдығының төмендігіне байланысты. Оптикалық желілердің артықшылығы – қолданыстағы оптикалық талшықтарды қайта пайдалану мүмкіндігі. Балама ретінде, кванттық ақпаратты атмосфера немесе вакуум арқылы жіберетін еркін кеңістіктегі желілерді құруға болады.

Оптика талшықтары желілері

Қолданыстағы телекоммуникациялық талшықтарды пайдаланатын оптикалық желілер, қазіргі телекоммуникациялық жабдыққа ұқсас аппараттық құралдарды қолдану арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл талшықтар бір модты немесе көп модты болуы мүмкін, ал көп модты талшықтар байланысты дәлірек етуге мүмкіндік береді.

Бос кеңістіктегі желілер

Еркін кеңістіктегі кванттық желілер оптикалық талшықты желілер сияқты жұмыс істейді, бірақ оптикалық талшық байланысының орнына байланыс жасайтын тараптар арасындағы тікелей көруге сүйенеді. Еркін кеңістіктегі желілер әдетте оптикалық талшықты желілерге қарағанда жоғары тарату жылдамдықтарын қолдай алады және оптикалық талшықтардың тудырған поляризациялық бұрмалануын ескеру қажеттілігі жоқ. Дегенмен, ұзақ қашықтықта еркін кеңістіктегі байланыс фотондарға қоршаған ортаның ықпалының артуына бейім. Бұл көрсетілген. Сонымен қатар, 20 000 км қашықтықтағы ғаламдық навигациялық спутниктік жүйеден жеке фотондардың тәжірибелік алмасуы туралы хабарламалар бар. Бұл спутниктер жердегі кіші желілерді үлкен қашықтықтарда байланыстыруда маңызды рөл атқара алады.

Қайталаушылар

Ұзақ қашықтыққа байланыс оптикалық талшықтар сияқты көптеген орта арқылы сигнал жоғалуы мен дәйкессіздік салдарынан қиындыққа ұшырайды. Классикалық байланыста сигналды тарату барысында күшейткіштерді пайдалануға болады, бірақ кванттық желіде күшейткіштерді қолдану мүмкін емес, себебі кубиттерді көшіруге болмайды – бұл «көшіруге болмайтын теорема» деп белгілі. Яғни, күшейткішті іске асыру үшін, ұшатын кубиттің толық күйін анықтау қажет, ал мұндай әрекеттің қажеті де жоқ, мүмкіндігі де шамалы.

Сенімді қайталаушылар

Байланыс инфрақұрылымын сынауға мүмкіндік беретін аралық қадам – сенімді ретрансляторлар. Маңыздысы, сенімді ретранслятор кубиттерді ұзақ қашықтарға жіберу үшін қолданылмайды. Оның орнына, сенімді ретранслятор кванттық кілт таратуды орындау үшін ғана пайдаланылуы мүмкін, ретрансляторға сенім артылатыны болжанады. Екі түйін – A және B, және олардың арасында орналасқан R сенімді ретрансляторын қарастырайық. A және R енді кілт жасау үшін кванттық кілт таратуды жүзеге асырады. Сол сияқты, R және B кілт жасау үшін кванттық кілт таратуды жүзеге асырады. A және B енді бір-бірімен келесідей кілт алмаса алады: A, кілтті пайдаланып R-ге шифрлап жібереді. R шифрды ашып, алған мәліметті B-ге жіберу үшін қайта шифрлайды. B шифрды ашып, A-ны алады. Осылайша A мен B кілтты бөліседі. Кілт сыртқы тыңшыдан қорғалған, бірақ R ретрансляторы да оны біледі. Бұл A мен B арасындағы кез келген келесі байланыс ұштан-ұшқа қауіпсіздікті қамтамасыз етпейді, тек A мен B R ретрансляторына сенгенше ғана қауіпсіз болады.

Кванттық ретрансляторлар

Нағыз кванттық ретранслятор кванттық байланыстың соңынан соңына дейін жасалуына мүмкіндік береді, соның арқасында кванттық телепортацияны пайдаланып кубиттердің соңынан соңына дейін берілуіне қол жеткізіледі. Кванттық кілт тарату протоколдарында мұндай байланысты тексеруге болады. Бұл, шифрлау кілттерін жасағанда, жіберуші мен қабылдаушы кванттық ретрансляторға сенбесе де, қауіпсіздікті қамтамасыз етеді. Кванттық интернеттің кез келген басқа да қолданысы үшін кубиттердің соңынан соңына дейін берілуі қажет, демек кванттық ретранслятор да қажет. Кванттық ретрансляторлар байланыс жасауға мүмкіндік береді және физикалық түрде байланысқан кубиттің барлық қашықтыққа жіберілмей, алыс түйіндерде орнатылуын қамтамасыз етеді. Бұл жағдайда кванттық желі ондаған немесе жүзден астам километрлік көптеген қысқа қашықтықтағы байланыстардан тұрады. Ең қарапайым жағдайда, бір ретрансляторда екі жұп байланысқан кубит орнатылады: бірінші жұп жіберушіде және ретрансляторда, ал екінші жұп ретрансляторда және қабылдағышта орналасқан. Бұл бастапқы байланысқан кубиттерді, мысалы, параметрлік төмендету арқылы оңай жасауға болады, сонда бір кубит көрші түйінге физикалық түрде жіберіледі. Осы кезде ретранслятор кубиттерде Белл өлшемін орындай алады, осылайша кубиттердің кванттық күйін телепорттай алады. Бұл байланысты "алмастыру" эффектін тудырады, нәтижесінде және бастапқы байланысқан жұптардың екі есе қашықтығында байланысқан күйде болады. Мұндай ретрансляторлар желісі ұзын қашықтықта байланыс орнату үшін сызықтық немесе иерархиялық түрде пайдаланылуы мүмкін. Жоғарыда аталған соңғы түйіндер ретінде қолданылатын аппараттық платформалар кванттық ретрансляторлар ретінде де жұмыс істей алады. Дегенмен, кванттық қақпаларды орындау мүмкіндігі жоқ, тек ретранслятор ретінде әрекет етуге арналған аппараттық платформалар да бар.

Қателерді түзету

Қателерді түзету кванттық ретрансляторларда қолданылуы мүмкін. Дегенмен, технологиялық шектеулерге байланысты, оның қолданылуы өте қысқа қашықтықтармен ғана шектеледі, себебі кубиттерді ұзақ қашықтықта қорғай алатын кванттық қателерді түзету схемаларына өте көп мөлшерде кубиттер және демек, өте үлкен кванттық компьютерлер қажет болады. Коммуникациядағы қателерді жалпы екі түрге бөлуге болады: жоғалту қателері (оптикалық талшықтардың/ортаның әсерінен) және операциялық қателер (мысалы, деполяризация, дефазинг және т.б.). Артық көшірмелерді классикалық қателерді анықтау және түзету үшін пайдалануға болады, бірақ клондау теоремасының болуына байланысты артық кубиттерді жасау мүмкін емес. Осының салдарынан, Шор кодысы сияқты немесе басқа да жалпы және тиімді кодтар сияқты қателерді түзетудің басқа түрлерін енгізу қажет. Бұл кодтардың барлығы кванттық ақпаратты бірнеше байланысқан кубиттерге бөлістіре отырып, операциялық қателерді де, жоғалту қателерін де түзетуге мүмкіндік береді. Кванттық қателерді түзетуден басқа, кванттық желілер кванттық кілт тарату сияқты арнайы жағдайларда классикалық қателерді түзетуді де қолдана алады. Мұндай жағдайларда кванттық коммуникацияның мақсаты – классикалық биттердің тізбесін қауіпсіз түрде жеткізу болып табылады. Кванттық желіде кодтау және тарату алдында Хэмминг кодтары сияқты дәстүрлі қателерді түзету кодтарын биттер тізбегіне қолдануға болады.

Ұстасуды тазарту

Кванттық декогеренция максималды түрде түйіскен қоңырау күйінен бір кубит кванттық желі арқылы жіберілген кезде пайда болуы мүмкін. Түйісуді тазарту көптеген кездейсоқ әлсіз түйіскен кубиттерден дерлік максималды түрде түйіскен кубиттерді жасауға мүмкіндік береді, осылайша қателерге қарсы қосымша қорғаныс қамтамасыз етеді. Түйісуді тазарту (кейде Түйісуді дистилляциялау деп те аталады) алмастағы азот бос орындарында бұрыннан көрсетілген.

Қолданбалар

Кванттық интернет кванттық түйісу арқылы көптеген қолданбаларды қолдайды. Жалпы, кванттық түйісу үйлестіруді, синхрондауды немесе құпиялылықты қажет ететін міндеттерге өте ыңғайлы. Мұндай қолданбалардың мысалдары: кванттық кілт тарату, сағатты тұрақтандыру, жетекшіні сайлау немесе Византиялық келісім сияқты таратылған жүйелік мәселелерге арналған протоколдар, сондай-ақ позицияны растау, қауіпсіз идентификация және шулы жад модельде екі тарапты криптография. Кванттық интернет бұлттағы кванттық компьютерге қауіпсіз қол жеткізуге де мүмкіндік береді. Атап айтқанда, кванттық интернет өте қарапайым кванттық құрылғыларға қашықтағы кванттық компьютерге қосылуға мүмкіндік береді, сонда есептеулер кванттық компьютерге оның мәнін білдірмей-ақ (кіріс және шығыс кванттық күйлерін есептеуді бұзбай өлшеуге болмайды, бірақ есептеу үшін қолданылған тізбек құрамы белгілі болады) жүргізіледі.

Қауіпсіз байланыс

Кез келген нысандағы байланыс туралы сөз болғанда, ең үлкен мәселе әрқашан осы байланыстардың құпиялылығын сақтау болды. Кванттық желілер ақпаратты жасауға, сақтауға және таратуға мүмкіндік береді, бұл арқылы "қазіргі интернетте мүмкін емес құпиялылық, қауіпсіздік және есептеу қуаты деңгейіне" қол жеткізуге болады. Пайдаланушы таңдаған кванттық операторды ақпарат жүйесіне қолдану арқылы, ақпаратты қабылдаушыға жіберуге болады, сонда тыңшы жіберілген ақпаратты жіберуші немесе қабылдаушы білмей, дәл жаза алмайды. Классикалық ақпарат, биттер түрінде беріліп, 0 немесе 1 мәнін алатын болса, кванттық желілерде қолданылатын кванттық ақпарат кванттық биттерді (кубиттерді) пайдаланады, олар бір уақытта 0 және 1 мәніне ие бола алады, суперпозиция күйінде болады. Бұл былай жұмыс істейді: егер тыңшы тыңдауға тырысса, олар тыңдау арқылы ақпаратты қасақана емес, бірақ өзгертеді, осылайша шабуыл жасаушыларға өздерін ашады. Екіншіден, егер дұрыс кванттық оператор болмаса, олар ақпаратты бұзады және оны өздері пайдалана алмайды. Сонымен қатар, кубиттерді әртүрлі материалдарға, оның ішінде фотондардың поляризациясына немесе электрондардың спиндік күйіне кодтауға болады. 2022 жылы Қытай Ғылым және Технология университетінің және Цзинань кванттық технология институтының зерттеушілері қалалық ортада бір-бірінен 12,5 км қашықтықта орналасқан екі жад құрылғысы арасында кванттық байланысты көрсетті. Сол жылы Нидерландыдағы Делфт технологиялық университетінің физиктері кванттық телепортация деп аталатын техниканы қолданып, болашақ желіге қарай маңызды қадам жасады, бұл техника деректерді үш физикалық орналасқан жерге жіберуге мүмкіндік берді, бұрын бұл тек екі орналасқан жерде ғана мүмкін болған. 2024 жылы Ұлыбритания мен Германияның зерттеушілері кванттық ақпаратты жасау, сақтау және алу бойынша алғашқы жетістіктерге қол жеткізді. Бұл маңызды қадам кванттық нүктелік жарық көзі мен кванттық жад жүйесін байланыстыруды қамтиды, бұл ұзақ қашықтықта кванттық ақпараттың жоғалуы сияқты қиындықтарға қарамастан, практикалық қолдануға жол ашады.

When it comes to communicating in any form the largest issue has always been keeping these communications private. Quantum networks would allow for information to be created, stored and transmitted, potentially achieving "a level of privacy, security and computational clout that is impossible to achieve with today’s Internet." By applying a quantum operator that the user selects to a system of information the information can then be sent to the receiver without a chance of an eavesdropper being able to accurately be able to record the sent information without either the sender or receiver knowing. Unlike classical information that is transmitted in bits and assigned either a 0 or 1 value, the quantum information used in quantum networks uses quantum bits (qubits), which can have both 0 and 1 value at the same time, being in a state of superposition. This works because if a listener tries to listen in then they will change the information in an unintended way by listening, thereby tipping their hand to the people on whom they are attacking. Secondly, without the proper quantum operator to decode the information they will corrupt the sent information without being able to use it themselves. Furthermore, qubits can be encoded in a variety of materials, including in the polarization of photons or the spin states of electrons. In 2022, Researchers at the University of Science and Technology of China and Jinan Institute of Quantum Technology demonstrated quantum entanglement between two memory devices located at 12.5 km apart from each other within an urban environment. In the same year, Physicist at the Delft University of Technology in Netherlands has taken a significant step toward the network of the future by using a technique called quantum teleportation that sends data to three physical locations which was previously only possible with two locations. In 2024, researchers in the U. K and Germany achieved a first by producing, storing, and retrieving quantum information. This milestone involved interfacing a quantum dot light source and a quantum memory system, paving the way for practical applications despite challenges like quantum information loss over long distances.

Есептеу үшін кванттық желілер

2021 жылы Германиядағы Макс Планк кванттық оптика институтының ғалымдары таратылған кванттық компьютерлерге арналған кванттық логикалық қақпалардың алғашқы прототипін жасады.

Эксперименталды кванттық модемдер

Германиядағы Гарчингтегі Макс Планк кванттық оптика институтының зерттеу тобы, ұшатын және тұрақты кубиттерден инфрақызыл спектрді сәйкестендіру арқылы кванттық деректерді тасымалдауда сәттілікке қол жеткізді. Бұл үшін, талшықты-оптикалық желілерде кездесетін инфрақызыл толқын ұзындықтарының резонанстық сәйкестігін қамтамасыз ету үшін, айналармен қоршалған ортада эрбийді қыстырып ұстайтын күрделі, жоғары дәрежеде суытылған иттрий силикаты кристаллы қажет. Зерттеу тобы құрылғының деректерді жоғалтпай жұмыс істейтінін сәтті көрсетті.

Мобильді кванттық желілер

2021 жылы Қытайдағы зерттеушілер ұялы кванттық желілерді немесе икемді желілік кеңейтімдерді құру үшін түйін ретінде қолданылатын дрондар арқылы түйіскен фотондардың сәтті берілуін хабарлады. Бұл, екі қозғалатын құрылғы арасында түйіскен бөлшектерді жіберген алғашқы жұмыс болуы мүмкін.