6种类型的量子网络拓扑

日期: 2023-12-18 作者:Venus Kohli翻译:邹铮 来源:TechTarget中国 英文

部署合适的网络拓扑为企业级量子网络设计高效的架构至关重要。合适的量子网络拓扑使量子基础设施能够优化多节点网络,并处理大规模量子信息。

量子网络拓扑与经典网络拓扑

在经典通信中,网络拓扑是指网络设备的物理或虚拟本地布局,这些网络设备形成网络以进行通信和传输数据。同样,量子网络拓扑是空间独立或互连节点的排列,这些节点在量子网络基础设施中交换量子信息(主要是纠缠态)。

量子网络拓扑使用各种布局,以在量子网络中部署空间分离或互连的节点。这些节点交换纠缠量子比特(量子比特)并执行量子计算任务。量子网络拓扑最重要的功能是提供发送和接收量子信息的路径。

假设,一个高效的量子网络处理大规模量子信息-通过位于距离遥远的不同点的多个节点。量子网络的局部布置必须覆盖很长的距离,以克服经典通信的局限性。实际的量子网络要小得多。

与经典网络不同,量子网络建立了纠缠状态,即两个量子粒子相互作用并连接在一起。这些粒子表现出激发态(更高的能量能够进行更有效的计算),并将状态分布在两个或多个节点之间。量子网络中的节点可以是量子处理器、中继器、传感器、收发器、网关或存储器。这些节点执行存储、提取、处理、处理和分发量子比特的功能。

不同的量子网络拓扑

要交换量子信息,必须耦合两个节点。量子网络拓扑可以有 N 个连接的节点,但只有允许的节点耦合在一起以交换量子信息。

量子网络使用与网络拓扑类似的拓扑。下面列出了其中一些,以及它们对量子网络性能的影响。

1. 线性链网

线性链量子网络类似于耦合节点链,因为它由线性和顺序耦合节点组成。每个量子节点都耦合到两个最近的相邻节点:前一个节点和后一个节点。线性链量子网络支持单维数据从一个点流向另一个点。

实现线性链网络拓扑是在两个节点之间传输激发的最简单方法之一。线性链量子网络的顺序提供了低速率,并将其可扩展性限制在短距离内。

2. 树张量网络

量子树张量网络 (TTN) 表示分支连接,其中每个节点都有自己的分层张量。父节点分为两个或多个子节点,而每个辅助节点耦合到两个或多个三级节点,依此类推。

树张量拓扑最适合多流量子基础设施,并且具有更好的框架来表示量子态。树张量中的分层排列消除了网络拥塞的可能性。但是,大量分支可能会加载 TTN,并增加量子基础设施的计算成本。

3. 星网

星形量子网络将单个节点耦合到所有其他节点,提供远程量子通信。但需要注意的是,所有其他节点都不是相互耦合的。在星形量子网络中,节点可以将激发态转移到本地节点之外。

实验研究表明,具有四个纠缠生成源的五节点星量子网络违反了非局域性原理,该原理指出量子粒子可以知道其他粒子的状态,并匹配这些状态。违反非局域性使网络容易受到窃听者的攻击。

4. 环网

环形量子网络类似于环状结构,其中所有节点都以圆形排列。每个节点都耦合到前一个和后续节点,在环中添加更多节点使它们在量子基础结构中可缩放。环形量子网络有时也称为闭环量子网络

量子加密协议(例如量子密钥分发)可以使用环形量子网络拓扑来实现。但是,环形量子网络的一些缺点包括克服量子网络瓶颈的能力有限,以及单节点故障可能导致的网络效率降低。

5. 网状网络

在网状量子网络中,单个节点耦合到其他几个节点。每个节点可以连接到两个或多个节点以提供多路径量子通信,但互连的节点不一定是邻居。

网状量子网络是一种非分层拓扑。它倾向于减少量子网络基础设施中的逐跳延迟。在节点发生故障的情况下,可以通过其他节点发送或接收量子信息,而不会妨碍量子通信。

增加节点数量并建立更多的节点间连接可以增强量子网络的可扩展性。但是,对于路由协议来说,量子网格拓扑可能稍微复杂一些。

6. 完全连接网络

完全连接量子网络拓扑将每个节点耦合在一起。单个节点执行发送方和接收方的功能,以维持量子信息的双向流动。这种拓扑结构形成一个高度互连的类似网络的量子网络,以实现高效通信。

存在用于发送或接收量子比特的多个数据路径可提高网络性能。但是,由于每个节点都是互连的,因此完全连接的量子网络可能会遇到拥塞,从而增加了部署可靠的缓解拥塞协议的需求。交叉路径可能会导致传播推迟和延迟。

实现量子网络效率的策略

容错、冗余、可扩展性和混合拓扑都有助于提高量子网络的效率。

采用容错

如果量子网络在由于环境因素(例如退相干、干扰、信号丢失和节点故障)导致的故障条件下继续运行,则量子网络是有效的。量子网络在不可靠条件、错误和故障期间运行的能力称为容错

以下是成功使用量子网络的一些关键步骤:

  1. 部署高效的硬件。
  2. 定期升级软件。
  3. 优化量子网络协议。
  4. 测量纠缠保真度。
  5. 测试和故障排除。

引入冗余

在量子网络中,冗余是量子信息的备份计划。没有克隆定理指出信息不能被复制。使用各种算子和量子逻辑门来操纵量子信息对于企业网络效率至关重要。在处理时,可以在纠错码中引入冗余。量子网络中更高的冗余度是一个性能指标。

增强可扩展性

可以通过在很远的距离上添加中继器来扩展量子网络。然而,一些简单的拓扑结构无法提供远距离量子通信。选择双向网络拓扑来分配纠缠状态,以提高效率并降低因节点故障而导致故障的风险。量子信息可以很容易地从源头采取另一条路径到达目的地。

实施混合网络拓扑

混合量子网络是两种或多种网络拓扑的混合,用于根据企业要求自定义量子通信。例如,混合量子网络可以同时实现线性链、树张量和星形网络拓扑。实现混合网络可以在量子基础设施中无缝分布纠缠。

 

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