Kvanttiverkko

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 22. joulukuuta 2015 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 40 muokkausta .

Kvanttiverkko  on viestintäverkko , joka suojaa siirrettyä dataa kvanttimekaniikan peruslakien avulla. Se on niin sanotun kvanttisalauksen käytännön toteutus . Kvanttiverkot ovat tärkeä osa kvanttilaskentaa ja kvanttisalausjärjestelmiä . Ne mahdollistavat kvanttiinformaation kuljetuksen fyysisesti erotettujen kvanttijärjestelmien välillä. Hajautetussa kvanttilaskennassa verkon verkkosolmut voivat käsitellä tietoa toimimalla kvanttiportteina . Turvallinen tiedonsiirto voidaan toteuttaa kvanttiavaimen jakelualgoritmeilla .

Kvanttiverkoissa, joissa käytetään optista kuitua tai vapaata tilaa siirtovälineenä, puhtaiden kvanttitilojen välittämisellä fotonien muodossa pitkiä matkoja on tärkeä rooli .

Ajatus kvanttiverkoista on keskusteltu aktiivisesti onnistuneiden kvanttiteleportaatiokokeiden jälkeen[ määritä ] .

Sovellus

Kvanttiavaimen jakelu

Monet olemassa olevat kvanttiverkot on kehitetty tukemaan kvanttiavainjakelua (QKD) klassisten laskentaympäristöjen välillä. Tämä kvanttiverkkojen sovellus tekee salaisen salausavaimen jakamisesta helppoa kahden osapuolen välillä. Toisin kuin klassiset avainten jakelualgoritmit , kuten Diffie-Hellman-avainten vaihtoalgoritmi , kvanttiavainten jakelu tarjoaa turvaa fyysisten ominaisuuksien kautta eikä matemaattisen ongelman vaikeuden kautta. Charles Bennett ja Gilles Brassard ehdottivat ensimmäistä kvanttiavaimen jakeluprotokollaa, BB84 , vuonna 1984, ja se on otettu käyttöön monissa tutkimuskvanttiverkoissa. Tässä protokollassa kubitit lähetetään puolelta toiselle epävarman kvanttiverkon kautta. Kvanttimekaniikan ominaisuuksien ja kloonaamattomuuden lauseen vuoksi salakuuntelija ei voi määrittää avainta ilman, että lähettäjä ja vastaanottaja löytävät sen. Vaikka BB84-protokolla perustuu kubittitilojen päällekkäisyyteen salakuuntelun havaitsemiseksi, muut protokollat ​​käyttävät sotkeutuneita kubitteja . Nämä ovat Arthur Eckertin ehdottamat E91-protokollat ​​ja Charles Bennetin , Gilles Brassardin ja David Merminin ehdottamat BBM92

Kvanttitilasiirto

Suuressa kvanttilaskentajärjestelmässä monet yksittäiset kvanttitietokoneet voivat olla vuorovaikutuksessa ja lähettää tietoja verkon kautta. Tällaisella vuorovaikutuksella on hyödyllistä, että verkko tukee sotkeutuneiden kubittien siirtoa . Harkitse seuraavaa skenaariota: kvanttitietokone, joka sisältää kubitit . Klassisessa verkossa yhden kvanttitietokoneen täydellisen tilan lähettäminen vaatisi vähän dataa. Kvanttiverkkoa käytettäessä tila voidaan kuitenkin lähettää kubittien avulla . Samoin, jos on mahdollista saavuttaa kietoutuminen verkon kaikkien tietokoneiden välille, järjestelmässä kokonaisuutena on yhtenäiset tila-avaruudet verrattuna klassisesti kytketyihin kvanttitietokoneisiin.

Työtapa

Fyysinen kerros

Pääasiallinen tapa, jolla kvanttiverkot toimivat vuorovaikutuksessa pitkien etäisyyksien päässä, on optisten verkkojen ja fotonisten kubittien käyttö . Optisten verkkojen etuna on olemassa olevien kuitujen uudelleenkäyttö . Ja vapaat verkot voidaan toteuttaa siten, että ne voivat välittää kvanttiinformaatiota "ilman yli", eli ilman strukturoituja etenemisvälineitä.

Kuituoptiset verkot

Optiset verkot voidaan toteuttaa käyttämällä olemassa olevia tietoliikenne- ja tietoliikennelaitteita. Lähettäjäpuolella yksittäisten fotonien lähde voidaan luoda vaimentamalla huomattavasti tavallista televiestintälaseria niin, että pulssia kohden emittoivien fotonien keskimääräinen määrä on pienempi kuin yksi. Tämän vaikutuksen saavuttamiseksi käytetään lumivyöryvalodiodia . Voidaan myös käyttää erilaisia ​​vaihe- ja polarisaatiosäätömenetelmiä, kuten säteenjakajia ja interferometrejä . Kietoutumispohjaisten protokollien tapauksessa kietoutuneita fotoneja syntyy spontaanin parametrisen sironnan kautta . Molemmissa tapauksissa tietoliikennekuitu voidaan multipleksoida lähettämään ei-kvanttisynkronointi- ja ohjaussignaaleja.

Vapaan tilan verkot

Kvanttivapaan tilan verkot ovat samanlaisia ​​​​kuin valokuituverkot, mutta ne perustuvat kommunikoivien osapuolten väliseen katselukulmaan valokuituyhteyden sijaan . Vapaan tilan verkot tukevat tyypillisesti korkeampia siirtonopeuksia kuin valokuituverkot eivätkä ota huomioon kuidun aiheuttamaa polarisaatiosiirtymää .

Ontelon kvanttielektrodynamiikka

Tietoliikennelasereita ja spontaania parametrista sirontaa yhdistettynä valoilmaisimiin voidaan käyttää kvanttiavaimen jakamiseen. Kietoutuneille kvanttijärjestelmille on kuitenkin tärkeää tallentaa ja lähettää uudelleen kvanttitietoa tuhoamatta taustalla olevia tiloja. Ontelon kvanttielektrodynamiikka on yksi mahdollisista menetelmistä tämän ongelman ratkaisemiseksi. Täällä voidaan siirtää fotonisia kvanttitiloja sekä atomien kvanttitiloihin että niistä, jotka on tallennettu yksittäisiin atomeihin optisissa onteloissa. Sen lisäksi, että se luo etäkietoutumisen etäisten atomien välille, tämä mahdollistaa kvanttitilojen siirron yksittäisten atomien välillä optisen kuidun avulla .

Meluiset kanavat

Kvanttitoistimet

Tiedonsiirtoa pitkiä matkoja haittaavat signaalihäviön ja epäkoherenssin vaikutukset, jotka ovat ominaisia ​​useimmille siirtovälineille, kuten optiselle kuidulle. Klassisessa tiedonsiirrossa käytetään vahvistimia parantamaan signaalia lähetyksen aikana, mutta kvanttiverkoissa ei kloonauslauseen mukaan vahvistimia voida käyttää. Vaihtoehto vahvistimille kvanttiverkoissa on kvanttiteleportaatio , joka lähettää kvanttiinformaatiota (kubitit) vastaanottajalle. Tämä välttää ongelmat, jotka liittyvät yksittäisten fotonien lähettämiseen pitkällä , suurihäviöisellä siirtolinjalla . Kvanttiteleportaatio vaatii kuitenkin parin kietoutunutta kubittia , yhden siirtolinjan kummassakin päässä. Kvanttitoistimet mahdollistavat sotkeutumisen luomisen etäsolmuissa lähettämättä fyysisesti sotkeutunutta kubittia koko matkan ajan.

Tässä tapauksessa kvanttiverkko koostuu useista lyhyistä , kymmenien tai satojen kilometrien pituisista viestintäkanavista . Yksinkertaisimmassa tapauksessa yhdellä toistimella luodaan kaksi paria kietoutuneita kubitteja: yksi sijaitsee lähettimessä ja toistimessa ja toinen pari toistimessa ja vastaanottimessa. Nämä alkuperäiset kietoutuvat kubitit on helppo luoda, kuten spontaanin parametrisen sironnan avulla, siirtämällä fyysisesti yksi kubitti viereiseen solmuun. Tässä tapauksessa toistin voi mitata Bell-tilan kubiteilla ja siten teleportoida kvanttitilan tilaan . Tämä "vaihtaa" sotkeutumisen siten, että ne ovat nyt kietoutuneet etäisyydeltä, joka on 2 kertaa vahvempi kuin alkuperäiset kietoutuvat kubittiparit. Tällaisten toistimien verkkoja voidaan käyttää sekä lineaarisilla että hierarkkisilla tavoilla luomaan sotkeutumista pitkien etäisyyksien päähän.

Virheenkorjauksia

Tiedonsiirtovirheet voidaan jakaa kahteen tyyppiin: häviövirheet (johtuen kuidun/median ominaisuuksista) ja toimintavirheet (kuten depolarisaatio, vaiheenpoisto jne.). Vaikka redundanssia voidaan käyttää virheiden havaitsemiseen ja korjaamiseen klassisessa verkossa, redundanttien kubittien luominen estää kloonaamattomuuden lauseen. Siksi käyttöön otetaan muun tyyppisiä virheenkorjauksia, kuten Shor-koodi tai jokin yleisimmistä ja tehokkaammista algoritmeista. Niiden toimintaperiaate on jakaa kvanttitietoa moninkertaisesti kietoutuneiden kubittien kautta niin, että sekä suorituskykyvirheet että menetysvirheet voidaan korjata.

Kvanttivirheenkorjauksen lisäksi klassista virheenkorjausta voidaan käyttää kvanttiverkoissa erikoistapauksissa, kuten kvanttiavainjakaumassa. Näissä tapauksissa kvanttilähetyksen tavoitteena on lähettää luotettavasti klassisten bittien merkkijono. Esimerkiksi Hamming-koodia voidaan soveltaa bittijonoon ennen datan koodausta ja lähettämistä kvanttiverkossa.

Klassiset verkot käyttävät kvanttiavaimen jakelua klassiseen kryptografiaan

Kaksi yritystä, idQuantique( Sveitsi ), MagiQTech( USA ) tarjoaa kaupallisesti saatavia laitteita kvanttiavainten jakeluun ja klassiseen kryptografiaan [1] .

Kazanin kvanttikeskuksen tutkijat KNITU-KAI ja ITMO-yliopisto käynnistivät yhdessä pilottiosan Venäjän ensimmäisestä monisolmuisesta kvanttiverkosta (4 solmua, noin sata kbps seulottua kvanttisekvenssiä, muutaman kilometrin pituisia juovia). [2]

Kiinassa kvanttiviestintälinjan luominen saatiin päätökseen marraskuussa 2016[ tuntematon termi ][ selventää ] 712 kilometriä pitkä Hefei-Shanghai 11 asemalla, rakentaminen kesti 3 vuotta. Chen Yu'aon mukaan suunnitellaan, että sen pohjalle luodaan Peking-Shanghai-linja, jonka kokonaispituus on noin 2 tuhatta km [3] [4] [5] .

Kvantti "Internet"

Ehdotetaan luoda kvanttiverkkoja, joissa solmut tallentaisivat kvanttitiloja ja vaihtaisivat niitä "kvanttiverkon" kautta maantieteellisesti hajautettujen kvanttisekoittuneiden järjestelmien luomiseksi [6] .

Kvanttipuhelin

Toukokuussa 2019 venäläiset tutkijat Infotex-yrityksen tieteellisen tutkimuksen ja edistyneen kehityksen keskuksesta ja M.V. Lomonosovin mukaan nimetystä Moskovan valtionyliopiston kvanttiteknologiakeskuksesta suorittivat onnistuneesti julkisia testejä ensimmäiselle venäläiselle kvanttipuhelimelle ViPNet QSS Phonelle, joka on osa heidän kehittämänsä ja toteuttamansa ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) -suojapuhelinkompleksi . Järjestäjät pitivät ensimmäisen puheviestintäistunnon, joka oli suojattu kvanttiavainten jakelulla , Infotexin toimistojen ja Moskovan valtionyliopiston kvanttiteknologiakeskuksen välillä [7] . Yli kolme vuotta työstetty kotimainen kvanttipuhelin ViPNet QSS Phone ei ole tunnettujen kvanttitietokoneiden hyökkäysten kohteena. Kansallisen teknologia-aloitteen (NTI) "Center for Quantum Technologies" -osaamiskeskuksen asiantuntijat vahvistivat testauksen onnistumisen . Kvanttipuhelinasennukset (ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) -kompleksit ja ViPNet QSS Phone -kvanttipuhelimet) alkavat tulla myyntiin vuonna 2020 [8] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Antonello Cutolo, Turvallisuuden fotoniikka , 2013, ISBN 9789814412971 . Sivu 264 “ff DV-pohjaiset Quantum - avainten jakelujärjestelmät ovat myynnissä MagiQ Techissä. (USA) ja id-Quantique (Sveitsi)"
  2. ↑ ITMO-yliopisto. ITMO- ja KAI-yliopistot lanseeraavat maan ensimmäisen monisolmuisen kvanttiverkon . ITMO-yliopiston virallinen portaali. Haettu 22. elokuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 18. elokuuta 2016.
  3. ↑ PEKING, 25. marraskuuta - RIA Novosti, Ivan Bulatov. Media kertoi, että Kiina rakentaa uuden kvanttiviestintälinjan . https://ria.ru+ (25. marraskuuta 2016). Käyttöpäivä: 26. marraskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 25. marraskuuta 2016.
  4. ↑ Kiina lanseeraa maailman pisimmän kvanttiviestintälinjan - International - The Hindu . Haettu 26. marraskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 27. marraskuuta 2016.
  5. ↑ Erittäin turvallinen linkki siirtyy verkkoon | Shanghai Daily . Haettu 26. marraskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 27. marraskuuta 2016.
  6. ↑ The Quantum Internet: HJ Kimble, The Quantum Internet. Nature, Voi. 453. (2008) s. 1023-1030. Arkistoitu 18. elokuuta 2016 Wayback Machinessa
  7. ↑ Ensimmäisen venäläisen kvanttipuhelimen kaupallinen versio testattiin onnistuneesti Moskovassa . TASS. Haettu 28. toukokuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 28. toukokuuta 2019.
  8. ↑ IT-asiantuntija: CCT ja InfoTeKS esittelivät Venäjän ensimmäisen kvanttipuhelimen toiminnan . www.it-world.ru Haettu 28. toukokuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 28. toukokuuta 2019.

Kirjallisuus

Linkit