Kvantnät

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 22 december 2015; kontroller kräver 40 redigeringar .

Ett kvantnät  är ett kommunikationsnätverk som skyddar överförd data med hjälp av kvantmekanikens grundläggande lagar. Det är en praktisk implementering av den så kallade kvantkryptografin . Kvantnätverk utgör en viktig del av kvantberäkningar och kvantkryptografisystem . De tillåter transport av kvantinformation mellan fysiskt separerade kvantsystem. I distribuerad kvantberäkning kan nätverksnoder i ett nätverk bearbeta information genom att fungera som kvantgrindar . Säker dataöverföring kan implementeras med hjälp av kvantnyckeldistributionsalgoritmer .

I kvantnät som använder optisk fiber eller ledigt utrymme som transmissionsmedium spelar överföringen av rena kvanttillstånd i form av fotoner över långa avstånd en viktig roll .

Idén med kvantnätverk har diskuterats aktivt efter framgångsrika kvantteleporteringsexperiment[ specificera ] .

Applikation

Kvantnyckelfördelning

Många befintliga kvantnätverk har utvecklats för att stödja kvantnyckeldistribution (QKD) mellan klassiska datormiljöer. Denna tillämpning av kvantnätverk gör det enkelt att dela en hemlig krypteringsnyckel mellan två parter. Till skillnad från klassiska nyckelfördelningsalgoritmer som Diffie-Hellman nyckelutbytesalgoritm , ger kvantnyckelfördelning säkerhet genom fysiska egenskaper snarare än svårigheten med ett matematiskt problem. Det första kvantnyckelfördelningsprotokollet, BB84 , föreslogs av Charles Bennett och Gilles Brassard 1984 och har implementerats i många forskningskvantnätverk. I detta protokoll skickas qubits från den ena sidan till den andra genom ett osäkert kvantnätverk. På grund av egenskaperna hos kvantmekaniken och no-cloning theorem kan en avlyssnare inte bestämma nyckeln utan att bli upptäckt av sändaren och mottagaren. Medan BB84-protokollet förlitar sig på en överlagring av qubit-tillstånd för att detektera avlyssning, använder andra protokoll entangled qubits . Dessa är E91-protokollen föreslagna av Arthur Eckert och BBM92 föreslagna av Charles Bennet , Gilles Brassard och David Mermin

Kvanttillståndsöverföring

I ett stort kvantberäkningssystem kan många individuella kvantdatorer interagera och överföra data över ett nätverk. Med en sådan interaktion är det fördelaktigt för nätverket att stödja överföringen av intrasslade qubits . Tänk på följande scenario: en kvantdator, var och en innehåller qubits . I ett klassiskt nätverk skulle det ta lite data för att överföra hela tillståndet för en enda kvantdator. Men med hjälp av ett kvantnätverk kan tillståndet överföras med hjälp av qubits . På samma sätt, om det är möjligt att uppnå intrassling mellan alla datorer i ett nätverk, kommer systemet som helhet att ha enhetliga tillståndsutrymmen, jämfört med klassiskt anslutna kvantdatorer.

Arbetsmetod

Fysiskt lager

Det huvudsakliga sättet att kvantnätverk interagerar över långa avstånd är genom användningen av optiska nätverk och fotoniska qubits . Optiska nätverk har fördelen av att återanvända befintlig fiber . Och fria nätverk kan implementeras på ett sådant sätt att de kan överföra kvantinformation "över luften", det vill säga utan användning av strukturerade spridningsmedier.

Fiberoptiska nätverk

Optiska nätverk kan implementeras med hjälp av befintlig telekommunikations- och telekommunikationsutrustning. På avsändarsidan kan en källa för enstaka fotoner skapas genom att kraftigt dämpa en vanlig telekommunikationslaser så att det genomsnittliga antalet fotoner som sänds ut per puls är mindre än en. För att uppnå denna effekt används en lavinfotodiod . Olika metoder för fas- och polarisationsjustering kan också användas, såsom stråldelare och interferometrar . I fallet med intrasslingsbaserade protokoll genereras intrasslade fotoner genom spontan parametrisk spridning . I båda fallen kan telekommunikationsfibern multiplexeras för att skicka icke-kvantsynkroniserings- och styrsignaler.

Ledigt utrymme nätverk

Quantum free space-nätverk liknar fiberoptiska nätverk, men förlitar sig på betraktningsvinkeln mellan kommunicerande parter istället för att använda en fiberoptisk anslutning . Nät med fritt utrymme stöder vanligtvis högre överföringshastigheter än fiberoptiska nätverk och tar inte hänsyn till polarisationsförskjutningen som orsakas av fiber .

Kvantelektrodynamik i en kavitet

Telekommunikationslasrar och spontan parametrisk spridning i kombination med fotodetektorer kan användas för kvantnyckeldistribution. Men för intrasslade kvantsystem är det viktigt att lagra och återsända kvantinformation utan att förstöra de underliggande tillstånden. Kvantelektrodynamik i en kavitet är en av de möjliga metoderna för att lösa detta problem. Här kan fotoniska kvanttillstånd överföras både till och från atomära kvanttillstånd lagrade i enskilda atomer i optiska kaviteter. Förutom att skapa avlägsen intrassling mellan avlägsna atomer, tillåter detta överföring av kvanttillstånd mellan enskilda atomer med hjälp av optisk fiber .

Bullriga kanaler

Quantum repeaters

Dataöverföring över långa avstånd hämmas av effekterna av signalförlust och dekoherens som är inneboende i de flesta transportmedier såsom optisk fiber. Klassisk dataöverföring använder förstärkare för att förbättra signalen under överföring, men i kvantnätverk, enligt no-cloning theoremet, kan förstärkare inte användas. Ett alternativ till förstärkare i kvantnätverk är kvantteleportation , som sänder kvantinformation (qubits) till en mottagare. Detta undviker problemen som är förknippade med att skicka enstaka fotoner över en lång överföringsledning med hög förlust . Emellertid kräver kvantteleportering ett par intrasslade qubits , en i varje ände av transmissionslinjen. Quantum repeaters gör det möjligt att skapa entanglement vid avlägsna noder utan att fysiskt skicka en intrasslad qubit över hela avståndet.

I det här fallet består kvantnätet av många korta kommunikationskanaler , tiotals eller hundratals kilometer långa. I det enklaste fallet, med en repeater, skapas två par intrasslade qubits: ett placerat på sändaren och repeatern, och det andra paret på repeatern respektive mottagaren. Dessa initiala intrasslade qubits är lätta att skapa, till exempel genom spontan parametrisk spridning , genom att fysiskt överföra en qubit till en angränsande nod. I det här fallet kan repeatern mäta Bell-tillståndet på qubits och därmed teleportera kvanttillståndet till . Detta har effekten att "byta" trasslingen, så att de nu är intrasslade på ett avstånd som är 2 gånger starkare än de initiala intrasslade paren av qubits. Nätverk av sådana repeaters kan användas på både linjära och hierarkiska sätt för att skapa intrassling över långa avstånd.

Bugfixar

Dataöverföringsfel kan delas in i två typer: förlustfel (på grund av fiber-/mediaegenskaper) och driftfel (som depolarisering, avfasning, etc.). Medan redundans kan användas för att upptäcka och korrigera fel i ett klassiskt nätverk, förhindras skapandet av redundanta qubits av no-cloning theoremet. Därför introduceras andra typer av felkorrigering, som Shor-koden eller en av de mer generella och effektiva algoritmerna. Deras funktionsprincip är att distribuera kvantinformation genom multiplicera entangled qubits så att både prestandafel och förlustfel kan korrigeras.

Förutom kvantfelskorrigering kan klassisk felkorrigering användas av kvantnätverk i speciella fall såsom kvantnyckeldistribution. I dessa fall är målet med kvantöverföring att på ett tillförlitligt sätt överföra en sträng av klassiska bitar. Till exempel kan en Hamming-kod appliceras på en sträng av bitar före kodning och sändning av data i ett kvantnätverk.

Klassiska nätverk som använder kvantnyckeldistribution för klassisk kryptografi

Två företag, idQuantique( Schweiz ), MagiQTech( USA ) erbjuder kommersiellt tillgängliga enheter för kvantnyckeldistribution och klassisk kryptografi [1] .

Forskare från Kazan Quantum Center KNITU-KAI och ITMO University lanserade tillsammans ett pilotsegment av det första multi-nod kvantnätverket i Ryssland (4 noder, cirka hundra kbps av en siktad kvantsekvens, linjer några kilometer långa). [2]

I Kina, i november 2016, slutfördes skapandet av en kvantkommunikationslinje[ okänd term ][ förtydliga ] 712 kilometer lång Hefei-Shanghai med 11 stationer, byggandet tog 3 år. Enligt Chen Yu'ao är det planerat att en linje Peking-Shanghai med en total längd på cirka 2 tusen km [3] [4] [5] kommer att skapas på grundval av den .

Quantum "Internet"

Förslag läggs fram för att skapa kvantnätverk där noder skulle lagra kvanttillstånd och utbyta dem genom ett "kvantnätverk" för att skapa geografiskt fördelade kvanttrasslade system [6] .

Kvanttelefoni

I maj 2019 genomförde ryska forskare från Center for Scientific Research and Advanced Development av Infotex-företaget och Center for Quantum Technologies vid Moscow State University uppkallat efter M.V. Lomonosov framgångsrikt offentliga tester av den första ryska kvanttelefonen ViPNet QSS Phone, som är en del av av det säkra telefonikomplexet som utvecklats och implementerats av dem ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS). Arrangörerna höll den första sessionen med röstkommunikation, skyddad av kvantnyckeldistribution , mellan kontoren för Infotex och Centre for Quantum Technologies vid Moscow State University [7] . Den inhemska kvanttelefonen ViPNet QSS Phone, som har arbetats på i mer än tre år, är inte föremål för kända attacker med hjälp av kvantdatorer. Framgången med testningen bekräftades av specialister från kompetenscentret för National Technology Initiative (NTI) "Center for Quantum Technologies". Kvanttelefoniinstallationer (ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) komplex och ViPNet QSS Phone kvanttelefoner för dem) kommer att börja säljas 2020 [8] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Antonello Cutolo, Photonics for Safety and Security , 2013, ISBN 9789814412971 . Sida 264 “ff Kvantnyckeldistributionssystem baserade på DV finns till försäljning på MagiQ Tech. (USA) och id-Quantique (Schweiz)"
  2. ↑ ITMO University. ITMO- och KAI-universitetet lanserar landets första kvantnätverk med flera noder . ITMO-universitetets officiella portal. Hämtad 22 augusti 2016. Arkiverad från originalet 18 augusti 2016.
  3. ↑ BEIJING, 25 november - RIA Novosti, Ivan Bulatov. Media rapporterade att Kina kommer att bygga en ny kvantkommunikationslinje . https://ria.ru+ (25 november 2016). Tillträdesdatum: 26 november 2016. Arkiverad från originalet 25 november 2016.
  4. ↑ Kina lanserar världens längsta kvantkommunikationslinje - Internationell - Hinduen . Hämtad 26 november 2016. Arkiverad från originalet 27 november 2016.
  5. ↑ Ultrasäker länk går på nätet | Shanghai Daily . Hämtad 26 november 2016. Arkiverad från originalet 27 november 2016.
  6. ↑ The Quantum Internet: HJ Kimble, The Quantum Internet. Nature, vol. 453. (2008) s. 1023-1030. Arkiverad 18 augusti 2016 på Wayback Machine
  7. ↑ Den kommersiella versionen av den första ryska kvanttelefonen testades framgångsrikt i Moskva . TASS. Hämtad 28 maj 2019. Arkiverad från originalet 28 maj 2019.
  8. ↑ IT-expert: CCT och InfoTeKS demonstrerade driften av Rysslands första kvanttelefon . www.it-world.ru Hämtad 28 maj 2019. Arkiverad från originalet 28 maj 2019.

Litteratur

Länkar