Kvantumhálózat

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt hozzászólók, és jelentősen eltérhet a 2015. december 22-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 40 szerkesztést igényelnek .

A kvantumhálózat  olyan kommunikációs hálózat , amely a kvantummechanika alapvető törvényei alapján védi a továbbított adatokat. Ez az úgynevezett kvantumkriptográfia gyakorlati megvalósítása . A kvantumhálózatok a kvantumszámítástechnika és a kvantumkriptográfiai rendszerek fontos elemét képezik . Lehetővé teszik a kvantuminformáció szállítását a fizikailag elkülönített kvantumrendszerek között. Az elosztott kvantumszámítás során a hálózat hálózati csomópontjai kvantumkapuként működve képesek információkat feldolgozni . A biztonságos adatátvitel kvantumkulcs-elosztási algoritmusok segítségével valósítható meg .

Az optikai szálat vagy szabad teret átviteli közegként használó kvantumhálózatokban fontos szerepet játszik a tiszta kvantumállapotok fotonok formájában történő nagy távolságra történő átvitele.

Aktívan megvitatásra került a kvantumhálózatok ötlete sikeres kvantumteleportációs kísérletek után[ adja meg ] .

Alkalmazás

Kvantumkulcs-eloszlás

Számos meglévő kvantumhálózatot fejlesztettek ki a kvantumkulcs-elosztás (QKD) támogatására a klasszikus számítási környezetek között. A kvantumhálózatok ezen alkalmazása megkönnyíti a titkos titkosítási kulcs megosztását két fél között. Ellentétben a klasszikus kulcselosztási algoritmusokkal , például a Diffie-Hellman kulcscsere algoritmussal , a kvantumkulcs-elosztás a fizikai tulajdonságok révén nyújt biztonságot, nem pedig a matematikai probléma nehézségein keresztül. Az első kvantumkulcs-elosztási protokollt, a BB84 -et Charles Bennett és Gilles Brassard javasolta 1984-ben, és számos kutatási kvantumhálózatban alkalmazták. Ebben a protokollban a qubiteket egy nem biztonságos kvantumhálózaton keresztül küldik egyik oldalról a másikra. A kvantummechanika tulajdonságai és a klónozás tilalma tétele miatt a lehallgató nem tudja meghatározni a kulcsot anélkül, hogy a küldő és a fogadó észlelné. Míg a BB84 protokoll a qubit állapotok szuperpozícióján alapul a lehallgatás észleléséhez, más protokollok összefonódott qubiteket használnak . Ezek az E91 protokollok , amelyeket Arthur Eckert , a BBM92 pedig Charles Bennet , Gilles Brassard és David Mermin javasolt.

Kvantumállapot-átvitel

Egy nagy kvantumszámítógépes rendszerben sok egyedi kvantumszámítógép képes kölcsönhatásba lépni és adatokat továbbítani a hálózaton keresztül. Egy ilyen interakció esetén előnyös, ha a hálózat támogatja az összegabalyodott qubitek átvitelét . Tekintsük a következő forgatókönyvet: egy kvantumszámítógép, mindegyik qubitet tartalmaz . Egy klasszikus hálózatban egy kis adatra lenne szükség egyetlen kvantumszámítógép teljes állapotának továbbításához. Kvantumhálózat használatával azonban az állapot qubitek segítségével továbbítható . Hasonlóképpen, ha a hálózat összes számítógépe között összefonódást lehet elérni, akkor a rendszer egészének egységes állapotterei lesznek, szemben a klasszikusan összekapcsolt kvantumszámítógépekkel.

Munkamódszer

Fizikai réteg

A kvantumhálózatok nagy távolságok közötti interakciójának fő módja az optikai hálózatok és a fotonikus qubitek használata . Az optikai hálózatok előnye, hogy újra felhasználják a meglévő szálakat . A szabad hálózatokat pedig úgy is meg lehet valósítani, hogy kvantuminformációkat „levegőn keresztül”, vagyis strukturált terjesztési közegek használata nélkül továbbítanak.

Száloptikai hálózatok

Az optikai hálózatok a meglévő távközlési és távközlési berendezések felhasználásával valósíthatók meg. A küldő oldalon egyetlen fotonforrást lehet létrehozni egy szabványos távközlési lézer nagymértékű csillapításával, így az impulzusonként kibocsátott fotonok átlagos száma kevesebb, mint egy. E hatás eléréséhez lavina fotodiódát használnak . Különféle fázis- és polarizáció-beállítási módszerek is használhatók, például nyalábosztók és interferométerek . Az összefonódás alapú protokollok esetében az összefonódott fotonok spontán parametrikus szórás révén jönnek létre . Mindkét esetben a távközlési szál multiplexelhető nem kvantum szinkronizációs és vezérlőjelek küldésére.

Szabad tér hálózatok

A kvantummentes térhálózatok hasonlóak az üvegszálas hálózatokhoz, de száloptikai kapcsolat helyett a kommunikáló felek közötti látószögre támaszkodnak . A szabad területű hálózatok általában nagyobb átviteli sebességet támogatnak, mint az optikai hálózatok, és nem veszik figyelembe az üvegszál által okozott polarizációs eltolódást .

Egy üreg kvantumelektrodinamikája

A távközlési lézerek és a spontán parametrikus szórás fotodetektorokkal kombinálva használhatók kvantumkulcs-elosztásra. Az összegabalyodott kvantumrendszerek esetében azonban fontos a kvantuminformáció tárolása és újraküldése anélkül, hogy megsemmisítenék a mögöttes állapotokat. Az üregek kvantumelektrodinamikája az egyik lehetséges módszer a probléma megoldására. Itt a fotonikus kvantumállapotok átvihetők mind az egyes atomokban tárolt atomi kvantumállapotokba, mind azokból az optikai üregekben. Amellett, hogy távoli összefonódást hoz létre a távoli atomok között, ez lehetővé teszi a kvantumállapotok átvitelét az egyes atomok között optikai szál segítségével .

Zajos csatornák

Kvantumismétlők

A nagy távolságra történő adatátvitelt a legtöbb átviteli adathordozóban, például az optikai szálban rejlő jelvesztés és dekoherencia hatásai akadályozzák. A klasszikus adatátvitel erősítőket használ az átvitel során a jel javítására, azonban a kvantumhálózatokban a klónozás tilalma tétele szerint nem használhatók erősítők. A kvantumhálózatokban az erősítők alternatívája a kvantumteleportáció , amely kvantuminformációkat (qubit) továbbít a fogadónak. Ezzel elkerülhetők azok a problémák, amelyek egyetlen fotonnak egy hosszú , nagy veszteségű átviteli vonalon történő küldésével kapcsolatosak. A kvantumteleportációhoz azonban egy pár összefonódott qubitre van szükség , egyet-egyet az átviteli vonal mindkét végén. A kvantumismétlők lehetővé teszik, hogy a távoli csomópontokon összefonódást hozzanak létre anélkül, hogy fizikailag összegabalyodott qubitet küldenének a teljes távolságra.

Ebben az esetben a kvantumhálózat sok rövid , több tíz vagy száz kilométer hosszú kommunikációs csatornából áll. A legegyszerűbb esetben egy átjátszóval két pár összefonódott qubit jön létre: az egyik az adón és az átjátszón, a második pár pedig az átjátszón és a vevőn található. Ezeket a kezdeti összefonódott qubiteket könnyű létrehozni, például spontán parametrikus szórással , egy qubit fizikai átvitelével egy szomszédos csomópontra. Ebben az esetben az átjátszó meg tudja mérni a Bell állapotot qubiteken , és így teleportálja a kvantumállapotot -ra . Ennek az a hatása, hogy "felcseréli" az összefonódást, és így most kétszer erősebb távolságra vannak összegabalyodva, mint a kezdeti összegabalyodott qubit párok . Az ilyen átjátszók hálózatai lineáris és hierarchikus módon is használhatók nagy távolságok közötti összefonódás létrehozására.

Hibajavítások

Az adatátviteli hibák két típusra oszthatók: veszteségi hibák (szál/hordozó tulajdonságai miatt) és működési hibák (például depolarizáció, fázisbontás stb.). Míg a redundancia felhasználható hibák észlelésére és kijavítására egy klasszikus hálózatban, a redundáns qubitek létrehozását megakadályozza a klónozás nélküli tétel. Ezért más típusú hibajavításokat vezetnek be, mint például a Shor-kód vagy valamelyik általánosabb és hatékonyabb algoritmus. Működési elvük az, hogy a kvantuminformációkat többszörösen összefonódott qubiteken keresztül osztják el, így mind a teljesítmény-, mind a veszteségi hibák kijavíthatók.

A kvantumhiba-javítás mellett a klasszikus hibajavítást a kvantumhálózatok speciális esetekben, például kvantumkulcs-eloszlás esetén is használhatják. Ezekben az esetekben a kvantumátvitel célja egy klasszikus bitsor megbízható továbbítása. Például egy Hamming-kód alkalmazható egy bitsorra, mielőtt kvantumhálózatban kódolná és továbbítaná az adatokat.

Klasszikus hálózatok, amelyek kvantumkulcs-elosztást használnak a klasszikus kriptográfiához

Két cég, idQuantique( Svájc ), MagiQTech( USA ) kereskedelmi forgalomban kapható eszközöket kínál a kvantumkulcs-elosztáshoz és a klasszikus kriptográfiához [1] .

A KNITU-KAI kazanyi kvantumközpont és az ITMO Egyetem tudósai közösen elindították Oroszország első többcsomópontos kvantumhálózatának kísérleti szegmensét (4 csomópont, körülbelül száz kbps szitált kvantumszekvencia, néhány kilométer hosszú vonalak). [2]

Kínában 2016 novemberében befejeződött a kvantumkommunikációs vonal létrehozása[ ismeretlen kifejezés ][ pontosítás ] 712 kilométer hosszú Hefei-Sanghaj 11 állomással, az építkezés 3 évig tartott. Chen Yu'ao szerint a tervek szerint egy körülbelül 2 ezer km összhosszúságú Peking-Sanghaj vonal jön létre [3] [4] [5] az alapján .

A kvantum "Internet"

Javaslatok születnek olyan kvantumhálózatok létrehozására, amelyekben a csomópontok kvantumállapotokat tárolnának, és azokat egy „kvantumhálózaton” keresztül cserélnék ki, hogy földrajzilag elosztott kvantumösszefonódott rendszereket hozzanak létre [6] .

Kvantumtelefónia

2019 májusában az Infotex vállalat Tudományos Kutatási és Fejlesztési Központjának és a Moszkvai Állami Egyetem Kvantumtechnológiai Központjának orosz tudósai, M. V. Lomonoszovról elnevezett, sikeresen végezték el az első orosz kvantumtelefon , a ViPNet QSS Phone nyilvános tesztjeit , amely a része. az általuk kifejlesztett és megvalósított ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) biztonságos telefon komplexumból. A szervezők az Infotex irodái és a Moszkvai Állami Egyetem Quantum Technologies Központja között megtartották a kvantumkulcs-elosztással védett hangkommunikáció első ülését [7] . A hazai ViPNet QSS Phone kvantumtelefon , amelyen több mint három éve dolgoznak, nincs kitéve ismert kvantumszámítógépes támadásoknak. A tesztelés sikerét megerősítették a Nemzeti Technológiai Kezdeményezés (NTI) „Kvantumtechnológiai Központ” Kompetencia Központjának szakemberei. A kvantumtelefonos installációk (ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) komplexumok és a hozzájuk tartozó ViPNet QSS Phone kvantumtelefonok) 2020-ban kezdenek árusítani [8] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Antonello Cutolo, Fotonika a biztonságért , 2013, ISBN 9789814412971 . 264. oldal „ff A DV-n alapuló Quantum kulcselosztó rendszereket a MagiQ Tech árusítja. (USA) és id-Quantique (Svájc)"
  2. ↑ ITMO Egyetem. Az ITMO és a KAI egyetemek elindítják az ország első több csomópontból álló kvantumhálózatát . ITMO Egyetem hivatalos portálja. Letöltve: 2016. augusztus 22. Az eredetiből archiválva : 2016. augusztus 18..
  3. ↑ PEKING, november 25. – RIA Novosztyi, Ivan Bulatov. A média beszámolt arról, hogy Kína új kvantumkommunikációs vonalat fog építeni . https://ria.ru+ ( 2016. november 25.). Hozzáférés dátuma: 2016. november 26. Az eredetiből archiválva : 2016. november 25.
  4. ↑ Kína elindítja a világ leghosszabb kvantumkommunikációs vonalát - International - The Hindu . Letöltve: 2016. november 26. Az eredetiből archiválva : 2016. november 27..
  5. ↑ Rendkívül biztonságos kapcsolat | Shanghai Daily . Letöltve: 2016. november 26. Az eredetiből archiválva : 2016. november 27..
  6. ↑ A kvantuminternet: HJ Kimble, The Quantum Internet. Nature, Vol. 453. (2008) 1023-1030. Archiválva : 2016. augusztus 18. a Wayback Machine -nál
  7. ↑ Az első orosz kvantumtelefon kereskedelmi verzióját sikeresen tesztelték Moszkvában . TASS. Letöltve: 2019. május 28. Az eredetiből archiválva : 2019. május 28.
  8. ↑ IT szakértő: A CCT és az InfoTeKS bemutatta Oroszország első kvantumtelefonjának működését . www.it-world.ru Letöltve: 2019. május 28. Az eredetiből archiválva : 2019. május 28.

Irodalom

Linkek