مقدمه مقدماتی

شبکه کوانتومی در مرز یک عصر جدید در ارتباطات امن و پردازش اطلاعات توزیع شده قرار دارد.توانایی انتقال حالت های کوانتومی، مانند فوتون های درهم تنیده، در مسافت های طولانی امنیت بدون قید و شرط بر اساس قوانین فیزیک وعده داده شده است، با این حال، استقرار عملی شبکه های ارتباطی کوانتومی توسط بخش عمده و شکننده سخت افزار مورد نیاز برای تولید، دستکاری، و اندازه گیری سیگنال های کوانتومی از این زمینه کوچک تر، جلوگیری از اتصال به سیستم های کوچک تر و کوچک تر است.

نیاز به مینیاتوراسیون و قابلیت پورت

امروزه شبکه های کوانتومی اغلب کل اتاق های آزمایشگاهی را اشغال می کنند، با تکیه بر جداول نوری بزرگ، سیستم های مسری اندازه یخچال ها و تنظیمات لیزر پیچیده، چنین زیرساخت هایی با سناریوهای استقرار واقعی در جهان که فضا، قدرت و سهولت استفاده ضروری هستند، ناسازگار است.

  • Deployments: گره های کوانتومی قابل حمل را می توان در محیط های تاکتیکی نظامی، مناطق پاسخ فاجعه یا ایستگاه های سنجش از راه دور مستقر کرد.
  • کاهش هزینه: قطعات کوچک تر، توده ای و قابل بازیافت مانع ورود به موسسات تحقیقاتی، شرکت های مخابراتی و سازمان های دولتی را کاهش می دهد.
  • قابلیت های: تکرار کوانتومی فشرده یا روتر می تواند در امتداد مسیر فیبر نوری قرار داده شود تا شبکه های کوانتومی را بدون نیاز به زیرساخت های عظیم گسترش دهد.
  • Integration با سیستم های کلاسیک: دستگاه های کوانتومی مینیاتور می توانند قفسه ها را با تجهیزات شبکه های کلاسیک به اشتراک بگذارند، شبکه های هیبریدی کلاسیک یکپارچه را قادر سازند.

چالش های فنی کلیدی

حفظ انسجام کوانتومی

سخت افزار کوانتومی به حالت های شکننده مانند سوپرفرنس و درهم تنیده شدن متکی است که به راحتی با تعاملات با محیط مختل می شوند. اجزای مینیاتور اغلب آنها را به هم نزدیک تر می کنند، خطر صحبت متقابل و کاهش تنش را افزایش می دهند، به عنوان مثال، فوتون های مبتنی بر تراشه باید موجی را برای جلوگیری از پراکندگی ناخواسته ی جامد، qubit، مانند تکنیک های مهندسی کربن (N) در حال توسعه ی مواد مخدر پیشرفته، و توسعه ی مواد مخدر، جدا کنند.

محیط زیست Noise و Isolation

سیستم های کوانتومی به نوسانات دما، ارتعاشات و تداخل الکترومغناطیسی حساس هستند.دستگاه های قابل حمل باید در محیط های کنترل نشده کار کنند - بیضه ها، خارج از منزل یا نزدیک خطوط برق، این نیاز به حفاظت قوی و تثبیت نوآوری های فعال در ساعت های اتمی مقیاس تراشه و ارتعاشات مبتنی بر MEMS برای سخت افزار کوانتومی سازگار هستند، اما ادغام این به یک بسته کوچک بدون به کار انداختن مهندسی اصلی است.

الزامات قدرت و خنک کننده

بسیاری از فن آوری های کیوبیت، مانند qubits فوق العاده رسانا، نیاز به دمای میلیکلوین سنتی دارند. یخچال های دیفینگ بزرگ و قدرت-هنگی هستند.برای پورت پذیری، رویکردهای جایگزین مانند cryocoolers جمع آوری شده، یا حتی سیستم های کوانتومی اتاق (به عنوان مثال، کیوبیت های عکسی و برخی از معماری های به دام افتاده)، در حال پیگیری سطح مصرف باتری یا حتی استفاده از ژنراتورهای کوچک هستند.

رانندگی تکنولوژی Miniaturization

یکپارچه سازی Photo

شبکه های کوانتومی Photonic از فوتون ها به عنوان کیوبیت های پرواز استفاده می کنند.با ادغام لیزرها، تنظیم کننده ها، اسپلیت های پرتو و آشکارسازهای تک فوتون بر روی یک تراشه واحد، فوتون های یکپارچه به طور چشمگیری اندازه و پیچیدگی را کاهش می دهند. [برای مثال، اجازه می دهد ساخت انبوه با استفاده از فرآیندهای نیمه هادی موجود. Startups و گروه های تحقیقاتی نشان داده شده در منابع درهم تنیده کوانتومی و کوانتومی [F]

Solid- State Qubits

کیوبیت های جامد، به ویژه مراکز NV در الماس و سیلیکون[ویرایش]، ارائه حالت های کوانتومی پایدار در دمای اتاق برای برنامه های خاص.این مراکز نقص را می توان در غشای الماس نازک تولید کرد یا حتی با ساختارهای فوتونیک یکپارچه شده است.توسعه تراشه های عکس الماس متناسب با زمان های اتصال طولانی از مراکز NV با جمع آوری شرکت های ساخت تراشه است.

خنک کننده های پیشرفته و Cryogenics

فن آوری Cryogenic در حال تکامل فراتر از یخچال های بزرگ دیفاست. Compact پالس-tube cryocoolers و cryostats طراحی شده برای مکعب ها یا آزمایشگاه های قابل حمل در حال حاضر به درجه حرارت زیر کلوین در کسری از حجم، به عنوان مثال، محققان یک سیستم قابل حمل برای فوق العاده ای که متناسب با یک سیستم های محفظه کیسه ای با اندازه کافی است، نیاز به برخی از قابلیت های قابل توجه در حال حاضر، برای از بین بردن سیستم های نوروژنیک، و سیستم های حافظه، برای حذف سیستم های قابل توجه است.

اصلاح خطای کوانتومی

Miniaturization ارائه می دهد سر و صدای اضافی و نقص اصلاحات خطا کوانتومی (QEC) برای حفظ وفاداری در دستگاه های قابل حمل حیاتی است.پیشرفت در کدهای QEC، مانند کدهای سطح، برای پیاده سازی های کم ارتفاع طراحی شده است. یکپارچه سازی منطق اصلاح خطا به طور مستقیم بر روی تراشه های کنترل اجازه می دهد تا تثبیت خودکار از کیوبیت بدون ابزار بزرگ است.

راه برای شبکه های کوانتومی قابل حمل

تکرار کنندگان کوانتومی و روترها

تکرار کنندگان کوانتومی برای ارتباطات کوانتومی از راه دور ضروری هستند، از دست دادن عکس های آینده در فیبرهای نوری. تکرارهای سنتی نیاز به خاطرات کوانتومی و مبادله درهم تنیده دارند، که اغلب شامل تله های اتم سرد یا کریستال های بزرگ است.نسخه های مینیاتور شده با استفاده از سلول های بخار اتمی مقیاس تراشه یا حافظه کوانتومی جامد که نیاز به توسعه دارند، می تواند هر ده ها کیلومتر فیبر را در امتداد یک اتصال عظیم، بدون قاره های عظیم اینترنت تکرار کند.

سیستم های Chip-Scale

هدف نهایی ادغام تمام عملکردهای شبکه کوانتومی ضروری است – نسل فوتون، دستکاری، تشخیص و حافظه – به یک تراشه یا مجموعه کوچکی از ماژول ها. تظاهرات اخیر فرستنده های کوانتومی سیستم-در تراشه نشان می دهد که (FLT:0 مربوطه تقسیم شده منابع جفت فوتون را می توان با تنظیم کننده ها و آشکارسازها در یک پلت فرم مونوli ترکیب کرد.[۱۰]

برنامه های آینده

ارتباطات امن

دستگاه های توزیع کلیدی قابل حمل کوانتومی (QKD) در حال حاضر در بازار هستند، اما آنها نسبتا بزرگ باقی می مانند. نسل بعدی مینیاتور QKD ترمینال های اتصال امن برای تلفن های همراه، هواپیماهای بدون سرنشین و ماهواره ها را فعال می کنند، به عنوان مثال، ژنراتورهای عددی کوانتومی دستی و فرستنده ها می توانند به گوشی های هوشمند یکپارچه شوند، ایجاد یک برنامه پیام رسانی کوانتومی امن.

پردازش کوانتومی توزیع شده

گره های کوانتومی کوچک و مدولار را می توان از طریق شبکه های فوتونیک به شکل یک کامپیوتر کوانتومی توزیع شده متصل کرد.واحد های پردازش کوانتومی قابل حمل (QPUs) می توانند در مکان های مختلف قرار گیرند، به اشتراک گذاری درهم تنیده شدن بیش از فیبر یا لینک های فضای آزاد.این معماری اجازه می دهد تا مقیاس فراتر از یک محدودیت های Cryostat را اندازه گیری کند و خدمات ابر کوانتومی را با نقاط پایانی قابل حمل فراهم کند.

سن و مترولوژی

سنسورهای کوانتومی از مینیاتوراسیون و همچنین منبع عکس قابل حمل قابل حمل بهره مند می شوند[۱] منابع فوتون می توانند اندازه گیری های متقابلفرومتر، آشکارسازهای موج گرانشی یا مغناطیس سنج ها را بهبود بخشند.شبکه های سنسور کوانتومی فشرده می توانند برای نظارت زیست محیطی، بررسی زیرزمینی یا ناوبری در محیط های GPS-دن، گسترش یابند. [F:0U.S. وزارت دفاع شبکه های سنسور کوانتومی قابل حمل را بررسی کرده است [۳]

نتیجه گیری

مینیاتوراسیون و پورت پذیری سخت افزار شبکه کوانتومی نه تنها یک راحتی مهندسی است؛ یک گام ضروری برای ایجاد ارتباطات کوانتومی یک تکنولوژی همه جا است.با چالش های آینده در انسجام، انزوا و خنک سازی از طریق فتوکپی یکپارچه، دیسک های جامد و تنش های پیشرفته، محققان راه را برای ارتباطات کوانتومی زمینه ای که احتمالاً قطعات محاسباتی پیشرفته تر از سیستم های کامپیوتری یکپارچه است، کاهش می دهد، و به طور دقیق تر از نصب های کامپیوتری قدیمی، ادامه می دهد.