Введение

Сети, соединяющие квантовые процессоры
реализация и функционирование квантовых сетей

Квантовые сети являются важным элементом квантовых вычислений и систем квантовой связи. Квантовые сети обеспечивают передачу информации в виде квантовых битов, также называемых кубитами, между физически разделенными квантовыми процессорами. Квантовый процессор – это устройство, способное выполнять квантовые схемы на определенном числе кубитов. Квантовые сети работают аналогично классическим сетям. Основное отличие заключается в том, что квантовые сети, как и квантовые вычисления, более эффективно решают определенные задачи, такие как моделирование квантовых систем.

Квантовые сети для вычислений

Сетевые квантовые вычисления или распределенные квантовые вычисления работают, связывая несколько квантовых процессоров посредством квантовой сети, передавая между ними кубиты. Это создает кластер квантовых вычислений и, следовательно, увеличивает вычислительные возможности. Менее мощные компьютеры можно объединять таким образом для создания более мощного процессора. Это аналогично объединению нескольких классических компьютеров в вычислительный кластер в классических вычислениях. Как и в классических вычислениях, эта система масштабируема за счет добавления все большего числа квантовых компьютеров в сеть. В настоящее время квантовые процессоры разделены небольшими расстояниями.

Квантовые сети для связи

В области квантовой связи необходимо передавать кубиты от одного квантового процессора к другому на большие расстояния. Это позволяет объединять локальные квантовые сети в квантовый интернет. Квантовый интернет поддерживает множество приложений, которые основаны на возможности передачи информации между удаленными квантовыми процессорами посредством создания квантово запутанных кубитов. Для большинства приложений квантового интернета требуются лишь скромные квантовые процессоры. Для большинства протоколов квантового интернета, таких как квантовое распределение ключей в квантовой криптографии, достаточно, чтобы эти процессоры могли подготавливать и измерять только по одному кубиту за раз. Это отличается от квантовых вычислений, где интересные приложения реализуемы только при условии, что (совместные) квантовые процессоры способны эффективно моделировать больше кубитов, чем классический компьютер (около 60). Квантовым интернет-приложениям нужны лишь небольшие квантовые процессоры, зачастую всего один кубит, поскольку квантовая запутанность может быть реализована уже между двумя кубитами. Моделирование запутанной квантовой системы на классическом компьютере не обеспечивает одновременно такую же безопасность и скорость.

Обзор элементов квантовой сети

Основная структура квантовой сети и, в более общем смысле, квантового интернета аналогична классической сети. Во-первых, у нас есть конечные узлы, на которых в конечном итоге выполняются приложения. Эти конечные узлы – квантовые процессоры, состоящие как минимум из одного кубита. Некоторые приложения квантового интернета требуют квантовых процессоров из нескольких кубитов, а также квантовой памяти на конечных узлах. Во-вторых, для транспортировки кубитов от одного узла к другому необходимы коммуникационные линии. Для квантовой связи можно использовать стандартные телекоммуникационные волокна. Для сетевых квантовых вычислений, где квантовые процессоры соединены на небольших расстояниях, выбираются различные длины волн в зависимости от конкретной аппаратной платформы квантового процессора. В-третьих, для максимального использования коммуникационной инфраструктуры требуются оптические коммутаторы, способные направлять кубиты в целевой квантовый процессор. Эти коммутаторы должны сохранять квантовую когерентность, что делает их реализацию более сложной, чем реализацию стандартных оптических коммутаторов. Наконец, для транспортировки кубитов на большие расстояния необходим квантовый ретранслятор, который располагается между конечными узлами. Телекоммуникационные лазеры и параметрическое преобразование частоты, в сочетании с фотодетекторами, могут использоваться для распределения квантовых ключей. В этом случае конечные узлы во многих случаях могут быть очень простыми устройствами, состоящими лишь из разделителей луча и фотодетекторов. Однако для многих протоколов предпочтительнее более сложные конечные узлы, обеспечивающие расширенные возможности обработки и способные также выполнять функции квантовых ретрансляторов. Их главное преимущество заключается в возможности хранения и повторной передачи квантовой информации без нарушения основного квантового состояния. Хранимое квантовое состояние может представлять собой относительный спин электрона в магнитном поле или его энергетическое состояние. В этой системе уже продемонстрирована возможность запутывания двух и трех квантовых процессоров, а также выполнение детерминированной квантовой телепортации. Другой возможной платформой являются квантовые процессоры на основе ионных ловушек, использующие радиочастотные магнитные поля и лазеры. Кроме того, существует метод квантовой электродинамики полости (Cavity QED). В Cavity QED фотонные квантовые состояния могут быть переданы в и из атомных квантовых состояний, хранящихся в отдельных атомах, помещенных в оптические резонаторы. Это позволяет передавать квантовые состояния между отдельными атомами с помощью оптического волокна, а также создавать удаленную запутанность между удаленными атомами.

Линии связи: физический слой

На больших расстояниях основным методом функционирования квантовых сетей является использование оптических сетей и кубитов, основанных на фотонах. Это обусловлено меньшей вероятностью декогеренции в оптических сетях. Оптические сети обладают преимуществом в виде возможности повторного использования существующей оптоволоконной инфраструктуры. Альтернативно, могут быть реализованы сети свободного пространства, передающие квантовую информацию по атмосфере или в вакууме.

Сети оптических волокон

Оптические сети, использующие существующие телекоммуникационные волокна, могут быть реализованы с применением оборудования, аналогичного существующему телекоммуникационному оборудованию. Эти волокна могут быть одномодовыми или многомодовыми, при этом многомодовые волокна обеспечивают более точную передачу данных.

Сети свободного пространства

Свободные пространственные квантовые сети работают аналогично волоконно-оптическим сетям, но используют прямую видимость между взаимодействующими сторонами вместо волоконно-оптического соединения. Сети свободного пространства обычно обеспечивают более высокую скорость передачи данных, чем волоконно-оптические сети, и не требуют учета поляризационной искажения, возникающего в оптическом волокне. Однако на больших расстояниях связь в свободном пространстве подвержена повышенному риску воздействия факторов окружающей среды на фотоны. Это было продемонстрировано. Также сообщалось об экспериментальном обмене одиночными фотонами от глобальной навигационной спутниковой системы на косом расстоянии 20 000 км. Эти спутники могут играть важную роль в соединении небольших наземных сетей на больших расстояниях.

Повторники

Общение на больших расстояниях затруднено эффектами потери сигнала и декогеренции, свойственными большинству каналов передачи, таким как оптическое волокно. В классической связи для усиления сигнала во время передачи можно использовать усилители, но в квантовой сети их применение невозможно, поскольку кубиты нельзя копировать – это известно как теорема о невозможности клонирования. Иными словами, для реализации усилителя потребовалось бы определить полное состояние переносимого кубита, что не только нежелательно, но и невозможно.

Доверенные ретрансляторы

Промежуточным шагом, позволяющим тестировать коммуникационную инфраструктуру, являются доверенные ретрансляторы. Важно отметить, что доверенный ретранслятор нельзя использовать для передачи кубитов на большие расстояния. Вместо этого, доверенный ретранслятор можно использовать только для выполнения квантового распределения ключей при дополнительном условии, что ретранслятору можно доверять. Рассмотрим два конечных узла А и В и доверенный ретранслятор R, расположенный между ними. Узлы А и R теперь выполняют квантовое распределение ключей для генерации ключа. Аналогично, узлы R и B выполняют квантовое распределение ключей для генерации ключа. Теперь узлы А и В могут получить общий ключ следующим образом: А отправляет сообщение R, зашифрованное ключом. R расшифровывает сообщение, чтобы получить его, затем повторно шифрует его с помощью ключа и отправляет B. B расшифровывает сообщение, чтобы получить его. Теперь узлы А и В имеют общий ключ. Этот ключ защищен от внешнего перехвата, но, очевидно, ретранслятор R также знает его. Это означает, что любая последующая связь между А и В не обеспечивает сквозную безопасность, а безопасна только до тех пор, пока А и В доверяют ретранслятору R.

Квантовые ретрансляторы

Настоящий квантовый ретранслятор обеспечивает генерацию квантовой запутанности между конечными точками, и, следовательно, посредством квантовой телепортации – передачу кубитов между конечными точками. В протоколах квантового распределения ключей можно проверить наличие такой запутанности. Это означает, что при генерации ключей шифрования отправитель и получатель защищены, даже если они не доверяют квантовому ретранслятору. Любое другое применение квантового интернета также требует передачи кубитов между конечными точками, и, следовательно, квантового ретранслятора. Квантовые ретрансляторы позволяют устанавливать запутанность между удаленными узлами без физической передачи запутанного кубита на всё расстояние. В этом случае квантовая сеть состоит из множества коротких каналов связи, длиной, возможно, десятки или сотни километров. В простейшем случае с одним ретранслятором устанавливаются две пары запутанных кубитов: первая – между отправителем и ретранслятором, а вторая – между ретранслятором и получателем. Эти начальные запутанные кубиты могут быть легко созданы, например, с помощью параметрического преобразования частоты, при этом один кубит физически передается в соседний узел. Затем ретранслятор может выполнить измерение Белла на кубитах , тем самым телепортируя квантовое состояние кубита на . Это приводит к "обмену" запутанностью, в результате чего и оказываются запутанными на расстоянии, вдвое превышающем расстояние между первоначальными запутанными парами. Очевидно, что сеть таких ретрансляторов может использоваться линейно или иерархически для установления запутанности на больших расстояниях. Аппаратные платформы, подходящие для использования в качестве конечных узлов, также могут функционировать как квантовые ретрансляторы. Однако существуют и аппаратные платформы, предназначенные исключительно для выполнения функции ретранслятора, без возможности выполнения квантовых логических операций.

Исправление ошибок

Исправление ошибок может использоваться в квантовых ретрансляторах. Однако из-за технологических ограничений его применимость ограничена очень короткими расстояниями, поскольку схемы квантовой коррекции ошибок, способные защищать кубиты на больших расстояниях, потребовали бы чрезвычайно большого количества кубитов и, следовательно, чрезвычайно мощных квантовых компьютеров. Ошибки в передаче данных можно разделить на два основных типа: ошибки потерь (вызванные оптическим волокном или окружающей средой) и операционные ошибки (такие как деполяризация, дефазировка и другие). В то время как избыточность может быть использована для обнаружения и исправления классических ошибок, создание избыточных кубитов невозможно из-за теоремы о запрете клонирования. В результате необходимо использовать другие методы коррекции ошибок, такие как код Шора или один из ряда более общих и эффективных кодов. Все эти коды работают путем распределения квантовой информации между несколькими запутанными кубитами, что позволяет исправлять как операционные, так и ошибки потерь. Помимо квантовой коррекции ошибок, классическая коррекция ошибок может применяться в квантовых сетях в специальных случаях, например, при квантовом распределении ключей. В этих случаях целью квантовой связи является безопасная передача последовательности классических битов. Традиционные коды коррекции ошибок, такие как коды Хэмминга, могут быть применены к битовой строке перед кодированием и передачей по квантовой сети.

Очистка от запутанности

Квантовая декогеренция может произойти, когда один кубит из максимально запутанного состояния Белла передается по квантовой сети. Очистка запутанности позволяет создавать кубиты, почти максимально запутанные, из большого числа произвольных слабо запутанных кубитов и, таким образом, обеспечивает дополнительную защиту от ошибок. Очистка запутанности (также известная как дистилляция запутанности) уже была продемонстрирована на азотных вакансиях в алмазе.

Приложения

Квантовый интернет поддерживает множество приложений, основанных на квантовой запутанности. В целом, квантовая запутанность особенно хорошо подходит для задач, требующих координации, синхронизации или конфиденциальности. Примеры таких приложений включают квантовое распределение ключей, стабилизацию частоты, протоколы для решения задач в распределенных системах, таких как выбор лидера или византийское соглашение, а также верификацию местоположения, безопасную идентификацию и двухстороннюю криптографию в модели зашумленного хранения. Квантовый интернет также обеспечивает безопасный доступ к квантовому компьютеру в облаке. В частности, квантовый интернет позволяет даже очень простым квантовым устройствам подключаться к удаленному квантовому компьютеру таким образом, чтобы вычисления могли быть выполнены на нем, не раскрывая перед квантовым компьютером суть этих вычислений (входные и выходные квантовые состояния нельзя измерить, не разрушив вычисления, но состав схемы, использованной для расчета, будет известен).

Безопасные коммуникации

Когда дело доходит до коммуникации в любой форме, самой большой проблемой всегда была конфиденциальность этих коммуникаций. Квантовые сети позволят создавать, хранить и передавать информацию, потенциально достигая "уровня конфиденциальности, безопасности и вычислительной мощности, недостижимого в современном Интернете". Применяя квантовый оператор, выбранный пользователем к информационной системе, информация может быть отправлена получателю без риска того, что злоумышленник сможет точно записать переданные данные, не будучи обнаруженным ни отправителем, ни получателем. В отличие от классической информации, передаваемой в битах со значением 0 или 1, квантовая информация, используемая в квантовых сетях, использует квантовые биты (кубиты), которые могут одновременно иметь значения 0 и 1, находясь в состоянии суперпозиции. Это работает, потому что любая попытка прослушивания со стороны злоумышленника неминуемо изменит информацию, тем самым выдавая его присутствие. Во-вторых, без соответствующего квантового оператора для декодирования информации, злоумышленник повредит переданные данные и не сможет их использовать. Более того, кубиты могут быть закодированы в различных материалах, включая поляризацию фотонов или спиновые состояния электронов. В 2022 году исследователи из Университета науки и технологий Китая и Института квантовой технологии в Цзинане продемонстрировали квантовую запутанность между двумя устройствами памяти, расположенными на расстоянии 12,5 км друг от друга в городской среде. В том же году физики из Технологического университета Делфта в Нидерландах сделали значительный шаг к созданию сети будущего, используя технику квантовой телепортации для отправки данных в три физических местоположения, что ранее было возможно только с двумя. В 2024 году исследователи из Великобритании и Германии впервые успешно создали, сохранили и извлекли квантовую информацию. Этот прорыв включал в себя объединение квантового точечного источника света и квантовой системы памяти, открывая путь к практическому применению, несмотря на такие проблемы, как потеря квантовой информации на больших расстояниях.

Квантовые сети для вычислений

В 2021 году исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка в Германии сообщили о создании первого прототипа квантовых логических элементов для распределенных квантовых компьютеров.

Экспериментальные квантовые модемы

Исследовательская группа Института квантовой оптики имени Макса Планка в Гарчинге, Германия, добилась успеха в передаче квантовых данных от летающих и стационарных кубитов путем подбора инфракрасного спектра. Для этого необходим сложный, сверххолодный кристалл силиката иттрия, в котором эрбий помещен в зеркальную среду для достижения резонансного соответствия инфракрасных длин волн, используемых в волоконно-оптических сетях. Команда успешно продемонстрировала работоспособность устройства без потерь данных.

Мобильные квантовые сети

В 2021 году исследователи в Китае сообщили об успешной передаче запутанных фотонов между дронами, которые использовались в качестве узлов для создания мобильных квантовых сетей или гибких расширений существующих сетей. Это может быть первая работа, в которой запутанные частицы были переданы между двумя перемещающимися устройствами.