DE102020207644A1 - Quantum-assisted communication network and method for operating a quantum-assisted communication network - Google Patents
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Abstract
Ein quantenunterstütztes Kommunikationsnetzwerk (100; 200) wird bereitgestellt, umfassend:
eine Vielzahl von Netzwerkknoten (10-1, 10-2);
wobei mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei oder alle, Netzwerkknoten (10-1, 10-2) mittels Klassische-Netzwerk-Verbindungen (20-12) verbunden sind und mittels Quanten-Netzwerk-Verbindungen (30-12) verbunden sind, mittels welchen Quantenzustände übertragen werden können;
wobei je zwei über eine Quanten-Netzwerk-Verbindung (30-12) verbundene Netzwerkknoten (10-1, 10-2) mit einer den Knoten zugeordneten Quantenquelle (40-12) des Kommunikationsnetzwerks (100; 200) verbunden sind, welche dazu ausgebildet ist, den zugeordneten Netzwerkknoten (10-1, 10-2) verschränkte Qubits bereitzustellen;
wobei Steuereinrichtungen (12-1, 12-2) außerdem dazu ausgebildet sind, Phasen geringer Netzwerkauslastung der Klassische-Netzwerk-Verbindung (20-12) zwischen Netzwerkknoten (10-1, 10-2) zu erkennen und in einer Phase geringer Netzwerkauslastung zugeordnete Quantenquellen (40-12) zu steuern, um die Phase geringer Netzwerkauslastung dazu zu verwenden, den Netzwerkknoten (10-1, 10-2) verschränkte Qubits bereitzustellen.
A quantum assisted communication network (100; 200) is provided, comprising:
a plurality of network nodes (10-1, 10-2);
wherein at least two, preferably more than two or all, network nodes (10-1, 10-2) are connected by means of classic network connections (20-12) and are connected by means of quantum network connections (30-12) by means of which quantum states can be transmitted;
each two network nodes (10-1, 10-2) connected via a quantum network connection (30-12) being connected to a quantum source (40-12) of the communication network (100; 200) assigned to the node, which is designed for this purpose is to provide the associated network nodes (10-1, 10-2) interleaved qubits;
wherein control devices (12-1, 12-2) are also designed to recognize phases of low network load of the classic network connection (20-12) between network nodes (10-1, 10-2) and to identify them in a phase of low network load To control quantum sources (40-12) in order to use the phase of low network load to provide the network nodes (10-1, 10-2) with entangled qubits.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft ein quantenunterstütztes Kommunikationsnetzwerk sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.The invention relates to a quantum-supported communication network and a method for operating such a network.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Das Verwenden von verschränkten Quanten-Bits (so genannten Qubits) zum Übertragen oder Übermitteln von Informationen an sich ist bekannt und Gegenstand von Untersuchungen zum Entwickeln von quantenbasierten Kommunikationsstrukturen. Grundlegend ist die Erkenntnis, dass verschränkte Teilchen (so genannte Einstein-Podolsky-Rosen-Paare oder EPR-Paare) erzeugt werden können, welche - unabhängig von ihrer räumlichen Entfernung - bei einer Messung eines der beiden Teilchen denselben Zustand einnehmen.The use of entangled quantum bits (so-called qubits) to transmit or convey information is known per se and is the subject of studies on the development of quantum-based communication structures. Fundamental is the knowledge that entangled particles (so-called Einstein-Podolsky-Rosen pairs or EPR pairs) can be generated which - regardless of their spatial distance - assume the same state when one of the two particles is measured.
Eine mögliche Übertragung von Informationen mit Überlichtgeschwindigkeit, da die Messung aufgrund der Verschränkung auf die verschränkten Teilchen gleichzeitig wird, wird praktisch dadurch verhindert, dass die verschränkten Teilchen als verschränkte Qubits bei Sender und Empfänger zum Zeitpunkt der Informationsübertragung bereits vorhanden sein müssen, und die Messergebnisse vollkommen zufällig sind. Solche verschränkten Qubits werden aufgebraucht, wenn damit ein Signal übertragen wird.A possible transmission of information at faster than light speed, since the measurement is simultaneous due to the entanglement of the entangled particles, is practically prevented by the fact that the entangled particles must already be present as entangled qubits at the transmitter and receiver at the time of the information transmission, and the measurement results are complete are random. Such entangled qubits are used up when a signal is transmitted with them.
In einer möglichen Realisierung wird zwischen je zwei Netzwerkknoten eines Quantennetzwerks eine Quantenquelle (oder: Qubit-Quelle) angeordnet und diesen Netzwerkknoten zugeordnet. Diese Quantenquelle erzeugt verschränkte Qubits und stellt diese den jeweiligen zugeordneten Netzwerkknoten bereit.In one possible implementation, a quantum source (or: qubit source) is arranged between every two network nodes of a quantum network and assigned to this network node. This quantum source generates entangled qubits and makes them available to the respective assigned network nodes.
Ein solches Quantennetzwerk ist beispielsweise in der wissenschaftlichen Veröffentlichung von
Solche Quantennetzwerke haben jedoch immer den Nachteil, dass sie stark von der Verfügbarkeit von verschränkten Qubits und somit von deren Generation und Bereitstellung abhängig sind.However, such quantum networks always have the disadvantage that they are heavily dependent on the availability of entangled qubits and thus on their generation and provision.
Das Herstellen von neuen Verbindungen in einem solchen System mittels „Entanglement Swapping“ ist beispielsweise in der wissenschaftlichen Veröffentlichung von Schoute et al., „Shortcuts to quantum network routing“, arXiv:1610.05238 beschrieben. Da durch ein solches Entanglement Swapping aber noch mehr Qubits verbraucht werden als bei der Verwendung einer direkten Verbindung, verstärkt ein solches Verfahren prinzipiell die bestehenden Nachteile, auf das quantenunterstützte Kommunikationsnetzwerk als Ganzes gesehen, noch.The creation of new connections in such a system by means of “entanglement swapping” is described, for example, in the scientific publication by Schoute et al., “Shortcuts to quantum network routing”, arXiv: 1610.05238. However, since more qubits are consumed by such entanglement swapping than when using a direct connection, such a method in principle increases the existing disadvantages of the quantum-supported communication network as a whole.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Es ist ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, ein quantenunterstütztes Kommunikationsnetzwerk und ein dazugehöriges Betriebsverfahren bereitzustellen, welche klassische Netzwerke mit Quantentechnologie verbessern.On the basis of this known prior art, one of the objects of the present invention is to provide a quantum-assisted communication network and an associated operating method which improve classical networks with quantum technology.
Einer der besonderen Vorteile dieser Herangehensweise ist, dass diese bereits mit vorhandener Technologie realisiert werden kann, und bestehende klassische Netzwerke (d.h. Netzwerke, welche gewöhnliche Signale austauschen, welche nicht auf verschränkten Qubits basieren) in ihrer Kapazität erweitert und/oder sicherer oder robuster gemacht werden können.One of the special advantages of this approach is that it can already be implemented with existing technology, and existing classic networks (i.e. networks that exchange normal signals that are not based on entangled qubits) can be expanded in their capacity and / or made more secure or robust be able.
Demgemäß wird, gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein quantenunterstütztes Kommunikationsnetzwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereitgestellt.Accordingly, according to a first aspect of the present invention, a quantum-assisted communication network having the features of
Ein solches quantenunterstütztes Kommunikationsnetzwerk umfasst:
- eine Vielzahl von Netzwerkknoten;
- wobei mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei oder alle, Netzwerkknoten mittels Klassische-Netzwerk-Verbindungen verbunden sind und mittels Quanten-Netzwerk-Verbindungen verbunden sind, mittels welchen Quantenzustände übertragen werden können;
- wobei je zwei über eine Quanten-Netzwerk-Verbindung verbundene Netzwerkknoten mit einer den Knoten zugeordneten Quantenquelle des quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerks verbunden sind, welche dazu ausgebildet ist, den zugeordneten Netzwerkknoten verschränkte Qubits bereitzustellen;
- wobei die Netzwerkknoten Quanten-Speichereinrichtungen zum Speichern von den zugeordneten Quantenquellen bereitgestellten verschränkten Qubits zum Verwenden in den Quanten-Netzwerk-Verbindungen aufweisen;
- wobei die Netzwerkknoten jeweils eine Steuereinrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, das Empfangen und Versenden von Daten durch den jeweiligen Netzwerkknoten zu steuern;
- wobei die Steuereinrichtungen außerdem dazu ausgebildet sind, Phasen geringer Netzwerkauslastung der Klassische-Netzwerk-Verbindung zwischen Netzwerkknoten zu erkennen und dazu eingerichtet sind, in einer erkannten Phase geringer Netzwerkauslastung zugeordnete Quantenquellen zu steuern, um die Phase geringer Netzwerkauslastung dazu zu verwenden, den Netzwerkknoten verschränkte Qubits bereitzustellen.
- a variety of network nodes;
- wherein at least two, preferably more than two or all, network nodes are connected by means of classic network connections and are connected by means of quantum network connections by means of which quantum states can be transmitted;
- two network nodes connected via a quantum network connection being connected to a quantum source of the quantum-supported communication network assigned to the node, which is designed to provide entangled qubits to the assigned network node;
- wherein the network nodes have quantum storage devices for storing entangled qubits provided by the associated quantum wells for use in the quantum network connections;
- wherein the network nodes each have a control device which is designed to control the receiving and sending of data by the respective network node;
- wherein the control devices are also designed to recognize phases of low network load of the classic network connection between network nodes and are set up to control associated quantum sources in a recognized phase of low network load in order to use the phase of low network load to Qubits entangled in the network nodes provide.
Obgleich hierin aus Gründen der besseren Verständlichkeit und der präziseren Beschreibung zwischen den Klassische-Netzwerk-Verbindungen und den Quanten-Netzwerk-Verbindungen unterschieden wird, versteht es sich, dass diese beispielsweise auch in, oder mittels, ein und demselben physischen Träger realisiert sein können, beispielsweise durch eine physische Glasfaserverbindung. Alternativ können jedoch die Klassische-Netzwerk-Verbindung und die Quanten-Netzwerk-Verbindung auch physisch getrennt realisiert sein. Beispielsweise könnten Quanten-Netzwerk-Verbindungen durch Glasfaserverbindungen und die Klassische-Netzwerk-Verbindungen durch Kupferleitungen oder dergleichen realisiert werden.Although a distinction is made here between classical network connections and quantum network connections for reasons of better understanding and a more precise description, it goes without saying that these can also be implemented, for example, in, or by means of, one and the same physical carrier, for example through a physical fiber optic connection. Alternatively, however, the classic network connection and the quantum network connection can also be implemented physically separately. For example, quantum network connections could be implemented using fiber optic connections and the classic network connections using copper lines or the like.
Statt der Verwendung von Klassische-Netzwerk-Verbindungen und Quanten-Netzwerk-Verbindungen könnte daher auch, bei Verwendung desselben physischen Trägers (z.B. Glasfaser), von der Verwendung von Klassische-Netzwerk-Protokollen/Quanten-Netzwerk-Protokollen oder von der Verwendung von Klassische-Netzwerk-Informationstechnologie/Quanten-Netzwerk-Informationstechnologie oder dergleichen sprechen. Somit kann dann von einer Verbindung zwischen zwei (oder mehr als zwei, oder allen) Netzwerkknoten mittels einer Leitung gesprochen werden, welche dazu eingerichtet ist, Nachrichten sowohl mit Klassische-Netzwerk-Protokollen als auch mit Quanten-Netzwerk-Protokollen zu übertragen.Instead of the use of classical network connections and quantum network connections, when using the same physical carrier (e.g. fiber optics), classical network protocols / quantum network protocols or classical - Talking about network information technology / quantum network information technology or the like. It is then possible to speak of a connection between two (or more than two, or all) network nodes by means of a line which is set up to transmit messages both with classical network protocols and with quantum network protocols.
Bevorzugt sind möglichst viele Netzwerkknoten miteinander sowohl über eine Klassische-Netzwerk-Verbindung als auch über eine Quanten-Netzwerk-Verbindung miteinander verbunden, wobei nicht jeder Netzwerkknoten mit jedem anderen Netzwerkknoten verbunden sein muss. Es versteht sich, dass in einem Kommunikationsnetzwerk zumindest indirekt alle Netzwerkknoten mit allen anderen Netzwerkknoten verbunden sind. Wenn daher hierin explizit von einer Klassische-Netzwerk-Verbindung zwischen zwei Netzwerkknoten oder von einer Quanten-Netzwerk-Verbindung die Rede ist, so soll insbesondere eine direkte Verbindung gemeint sein, also beispielsweise realisiert durch eine Glasfaserleitung zwischen den beiden Netzwerkknoten und ohne dass weitere Netzwerkknoten auf dem Weg liegen.As many network nodes as possible are preferably connected to one another both via a classic network connection and via a quantum network connection, not every network node having to be connected to every other network node. It goes without saying that in a communication network all network nodes are at least indirectly connected to all other network nodes. Therefore, when a classic network connection between two network nodes or a quantum network connection is explicitly mentioned here, a direct connection should be meant in particular, i.e. implemented, for example, by a fiber optic line between the two network nodes and without additional network nodes lying on the way.
Unter dem Übertragen von Quantenzuständen ist zu verstehen, dass eine dezidierte Messung (d.h. Beeinflussung) eines Teils eines verschränkten Qubits bei einem Netzwerkknoten eine entsprechende, absolut gleichartige Beeinflussung des anderen Teils desselben verschränkten Qubits bei einem anderen Netzwerkknoten zur Folge hat. Wenn beispielsweise an einem Sender(-Netzwerkknoten) zwei Photonen miteinander verschränkt werden oder bereits als verschränktes Paar erzeugt werden, kann von diesem Paar ein Photon zu einem Empfänger(-Netzwerkknoten) gesendet werden, z.B. über Glasfaserleitungen mit oder ohne Repeater, und das zweite Photon kann beim Sender verbleiben. Wenn der Übertragungsmechanismus ideal ist, werden sich dann Sender und Empfänger ein verschränktes Photonenpaar teilen. Das Festlegen einer speziellen Quantenzahl (z.B. Polarisationsrichtung) an einem der Photonen bewirkt dann das Festlegen derselben Quantenzahl an dem anderen der Photonen.The transfer of quantum states means that a dedicated measurement (i.e. influencing) of a part of an entangled qubit at one network node results in a corresponding, absolutely similar influence on the other part of the same entangled qubit at another network node. If, for example, two photons are entangled with each other at a transmitter (network node) or are already generated as an entangled pair, one photon can be sent from this pair to a receiver (network node), e.g. via fiber optic cables with or without a repeater, and the second photon can remain with the sender. If the transmission mechanism is ideal, the sender and receiver will share an entangled pair of photons. The setting of a specific quantum number (e.g. polarization direction) on one of the photons then causes the same quantum number to be set on the other of the photons.
Bei den Quantenquellen und den Quanten-Speichereinrichtungen können jegliche im Stand der Technik bekannte Techniken zum Einsatz kommen, beispielsweise die in Siddharta et al. oder den dort zitierten Veröffentlichungen beschriebenen Techniken.In the case of the quantum wells and the quantum storage devices, any techniques known in the prior art can be used, for example those described in Siddharta et al. or the techniques described therein.
Die jeweilige Quantenquelle kannn beispielsweise zwischen den Netzwerkknoten, denen sie zugeordnet ist und für welche sie die verschränkten Qubits erzeugt, angeordnet sein. Die Quantenquelle kann jedoch auch an einem Netzwerkknoten angeordnet sein, dort verschränkte Paare erzeugen und von dort aus an potentielle Empfänger von Nachrichten dieses Netzwerkknoten jeweils eine Hälfte der erzeugten verschränkten Paare übermitteln. Es kann für jeden potenziellen Empfänger-Netzwerkknoten eine eigene Quantenquelle an dem Sende-Netzwerkknoten angeordnet sein, oder eine Quantenquelle kannn zum Erzeugen von verschränkten Qubits für alle Empfänger-Netzwerkknoten ausgebildet sein. Für die Erzeugung der verschränkten Qubits über weite Entfernungen kann insbesondere angekündigte Verschränkung („heralded entanglement“) verwendet werden. Mit anderen Worten können mit einer an oder in einer Netzwerkkarte (als ein Sende-Netzwerkknoten) angeordneten Quantenquelle verschränkte Teilchen bzw. verschränkte Qubits direkt an der Netzwerkkarte erzeugt werden und wären dann jeweils nur für das andere Ende genauer einer Leitung, also genau eine Empfänger-Netzwerkkarte (Empfänger-Netzwerkknoten) bestimmt.The respective quantum source can be arranged, for example, between the network nodes to which it is assigned and for which it generates the entangled qubits. The quantum source can, however, also be arranged at a network node, generate entangled pairs there, and from there transmit half of the entangled pairs generated to potential recipients of messages from this network node. A separate quantum source can be arranged at the sending network node for each potential recipient network node, or a quantum source can be designed to generate entangled qubits for all recipient network nodes. In particular, announced entanglement (“heralded entanglement”) can be used to generate entangled qubits over long distances. In other words, with a quantum source arranged on or in a network card (as a transmitting network node), entangled particles or entangled qubits can be generated directly on the network card and would then only be for the other end of a line, i.e. exactly one receiver. Network card (receiver network node) determined.
Die Quanten-Speichereinrichtungen können mittels einer Vielzahl von Techniken verwirklicht werden, wobei lediglich einige grundlegende Anforderungen zu beachten sind:
- Erstens sollte das Speichern von verschränkten Qubits über einen Zeitraum hinweg möglich sein, der groß ist im Vergleich zu typischen Verarbeitungszeiten im jeweiligen Anwendungsfall. Für den Austausch von Quantenzuständen mittels Photonen wurden Techniken beispielsweise in
Körber et al., „Decoherence-protected memory for a single-photon qubit.“, Nature Photonics 12.1 (2018): 18
- First, it should be possible to store entangled qubits over a period of time that is long compared to typical processing times in the respective application. For the exchange of quantum states by means of photons, techniques were for example in
Körber et al., "Decoherence-protected memory for a single-photon qubit.", Nature Photonics 12.1 (2018): 18
Zweitens sollten die Quanten-Speichereinrichtungen im Vergleich dazu, wie viele verschränkte Qubits (bzw. verschränkte Paare) zur Ausführung eines Kommunikationsprotokolls verbraucht werden, möglichst viele verschränkte Qubits speichern können.Second, the quantum storage devices should be able to store as many entangled qubits as possible in comparison to how many entangled qubits (or entangled pairs) are used to execute a communication protocol.
Drittens sollten die Quanten-Speichereinrichtungen keine räumliche Nähe zueinander erfordern. In quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerken, die mittels die Quanten-Netzwerk-Verbindungen mittels optischer Fasern herstellen, skaliert die Photonenverlustrate exponentiell mit der Länge der Fasern, sodass üblicherweise Quantenrepeater verwendet werden, um Quanteninformationen über weite Entfernungen zu übermitteln (d.h. Quantenzustände über weite Entfernungen auszutauschen). Eine Möglichkeit besteht darin, ein Qubit in Form eines verschränkten Paars (z.B. von Photonen) lokal (d.h. in Nahdistanz) zu erzeugen und dann die Entfernung zwischen den Teilchen des Paars zu vergrößern, beispielsweise mittels Entanglement Swapping durch Quantenrepeater, wie dies beispielsweise in
Die Steuereinrichtungen können übliche Computerelemente umfassen, beispielsweise einen oder mehrere Zentralprozessoren (CPUs), einen oder mehrere Graphikprozessoren (GPUs), eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltung („application-specific integrated circuit“, ASIC), ein oder mehrere feldprogrammierbare Logikgatter („field-programmable gate array“, FPGA), Ein- und Ausgabeschnittstellen, einen Arbeitsspeicher, einen nicht-flüchtigen computerlesbaren Datenspeicher (z.B. einen Festkörperspeicher, „solid state drive“, SSD) und/oder dergleichen mehr. Die Steuereinrichtungen können in oder an den jeweiligen Netzwerkknoten angeordnet oder integriert sein, sie können aber auch ganz oder teilweise mittels Cloud-Computing realisiert sein.The control devices can comprise conventional computer elements, for example one or more central processors (CPUs), one or more graphics processors (GPUs), one or more application-specific integrated circuits ("application-specific integrated circuit", ASIC), one or more field-programmable logic gates ("field -programmable gate array ", FPGA), input and output interfaces, a working memory, a non-volatile computer-readable data memory (eg a solid-state memory," solid state drive ", SSD) and / or the like. The control devices can be arranged or integrated in or on the respective network nodes, but they can also be implemented entirely or partially by means of cloud computing.
Die Phasen geringer Netzwerkauslastung können beispielsweise durch das Unterschreiten eines vorgegebenen (oder dynamisch veränderbaren oder vorgebbaren) Schwellwerts durch die aktuelle Netzwerkauslastung definiert sein. Dem Prinzip, in Phasen geringer Netzwerkauslastung die vorhandenen Übertragungskapazitäten der Quanten-Netzwerk-Verbindung (bzw. einer Glasfaserleitung die sowohl die klassische als auch die Quanten-Netzwerk-Verbindung realisiert) zu verwenden, um gleichsam „auf Vorrat“ verschränkte Qubits zu generieren, kommt erhebliche Bedeutung zu, denn auf diese Weise wird die vorhandene Netzwerk-Infrastruktur zu jedem Zeitpunkt optimal genutzt: um Nachrichten zu übertragen (hohe Auslastung) und/oder um verschränkte Qubits zu generieren (bei vergleichsweise niedriger Auslastung). Dieses Prinzip wird auch als „generate entanglement when idle“ (GEWI), zu Deutsch etwa: „Erzeuge bei Leerlauf Verschränkung“ bezeichnet.The phases of low network load can be defined, for example, when the current network load falls below a specified (or dynamically changeable or specifiable) threshold value. The principle of using the existing transmission capacities of the quantum network connection (or a fiber optic cable that realizes both the classic and the quantum network connection) in phases of low network load in order to generate interlaced qubits "in reserve", as it were significant importance, because in this way the existing network infrastructure is optimally used at all times: to transmit messages (high utilization) and / or to generate entangled qubits (with comparatively low utilization). This principle is also referred to as “generate entanglement when idle” (GEWI), for example: “generate entanglement when idle”.
Eine Phase geringer Netzwerkauslastung kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass keine klassischen zu übertragenden Nachrichten in einem Puffer auf eine Übertragung warten. Anders ausgedrückt: Das System kann so eingerichtet sein, immer so viel Qubits zu erzeugen bzw. zu versenden, wie es kann, außer die Quanten-Speichereinrichtung für verschränkte Teilchen ist voll. Die versendeten Qubits dienen dann entweder der Nachrichtenübertragung (falls gerade Nachrichten im Puffer sind) oder anderenfalls der Verschränkungserzeugung.A phase of low network load can be defined, for example, by the fact that no classic messages to be transmitted are waiting in a buffer for transmission. In other words: the system can be set up to always generate or send as many qubits as it can, unless the quantum storage device for entangled particles is full. The qubits sent are then used either to transmit messages (if there are currently messages in the buffer) or, otherwise, to generate entanglement.
Falls der Verschränkungsspeicher voll ist, kann aus der Lebensdauer der verschränkten Paare abgelesen werden wann diese gelöscht werden müssen (dieser Wert wird beispielsweise durch die Codierung festgelegt) und dann kann also vorausschauend wieder begonnen werden den Speicher zu füllen.If the entanglement memory is full, the lifetime of the entangled pairs can be used to read when they must be deleted (this value is determined, for example, by the coding) and the memory can then be started again in advance.
Das Erzeugen von verschränkten Qubits erfolgt vorzugsweise blockweise, da es innerhalb eines (Daten-) Frames im Regelfall weniger effizient wäre das Codierungsverfahren zu wechseln, weil Frames nur in bestimmten standardisierten Längen vorkommen und weil jedes System üblicherweise nur endlich viele Codierungsraten unterstützt wird. Das System benötigt dann eine Zeit X(Y) zur Generation eines Blocks von Y verschränkten Qubits benötigt.Interleaved qubits are preferably generated in blocks, since it would normally be less efficient to change the coding method within a (data) frame, because frames only occur in certain standardized lengths and because each system usually only supports a finite number of coding rates. The system then needs a time X (Y) to generate a block of Y interlaced qubits.
Daher kann das System vorteilhaft mit der folgenden Regel eingerichtet sein: Wenn in X(Y) Zeiteinheiten ein Block der Größe Y gelöscht werden muss (z.B. wegen ablaufender Lebensdauer), und wenn keine Nachrichten im Puffer auf die Übertragung warten, dann erzeuge einen Block verscrhänkter Qubits der Größe Y.The system can therefore advantageously be set up with the following rule: If a block of size Y has to be deleted in X (Y) time units (e.g. due to expiry of the lifetime), and if there are no messages in the buffer waiting for transmission, then create a block with a larger block Y-size qubits.
Die Zeit kann in einzelne Zeiteinheiten unterteilt werden, wobei immer, wenn an einem Netzwerkknoten innerhalb einer solcher Zeiteinheit keine zu versendende Nachricht anliegt, ein verschränktes Qubit generiert wird.The time can be divided into individual time units, an entangled qubit being generated whenever there is no message to be sent at a network node within such a time unit.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Further advantages emerge from the subclaims and from the description with reference to the figures.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Weiterbildungen von Ausführungsformen sind die Steuereinrichtungen dazu ausgebildet, über Verbindungszustandspakete (engl. „link state packages“, LSP) Informationen über die Netzwerkauslastung und/oder Informationen über die Anzahl gespeicherter verschränkter Qubits auszutauschen. Das Austauschen umfasst das Versenden der Informationen (bzw. der Verbindungszustandspakete) aneinander sowie das Erhalten der Informationen (bzw. der Verbindungszustandspakete) voneinander. Es muss nicht jedes Versenden eines Verbindungszustandspakets zwangsläufig mit dem Erhalten eines Verbindungszustandspakets einhergehen, wobei dies in einigen Ausführungsformen durchaus so sein kann. Vorteilhaft sind die Steuereinrichtungen weiterhin dazu eingerichtet, die Netzwerkknoten basierend auf den erhaltenen Informationen (d.h. basierend auf den erhaltenen Verbindungszustandspaketen) zu steuern.According to some preferred embodiments, variants or developments of embodiments, the control devices are designed to exchange information about the network load and / or information about the number of stored interleaved qubits via link state packages (LSP). The exchange comprises sending the information (or the connection status packets) to one another and receiving the information (or the connection status packets) from one another. Each sending of a connection status packet does not necessarily have to go hand in hand with receiving a connection status packet, and in some embodiments this may well be the case. The control devices are advantageously also set up to control the network nodes based on the information received (i.e. based on the connection status packets received).
Inbesondere können, gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Weiterbildungen von Ausführungsformen, die Steuereinrichtungen dazu eingerichtet sein, über Entanglement Swapping verschränkte Qubits zwischen Netzwerkknoten basierend auf den erhaltenen Informationen (bzw. Verbindungszustandspaketen) auszutauschen, insbesondere um verschränkte Qubits von Netzwerkknoten (oder Netzwerkknoten-Paaren) mit aktuell vergleichsweise geringer Auslastung an Netzwerkverbindungen mit aktuell vergleichsweise höherer Auslastung bereitzustellen.In particular, according to some preferred embodiments, variants or developments of embodiments, the control devices can be set up to exchange entangled qubits between network nodes based on the information received (or connection status packets) via entanglement swapping, in particular to exchange entangled qubits of network nodes (or network node pairs) ) with currently comparatively low utilization of network connections with currently relatively higher utilization.
Es ist erkennbar, dass die Ausnutzung vorhandener Netzwerk-Infrastruktur auf diese Weise noch stärker verbessert werden kann. Wenn beispielsweise eine große Menge von Daten zwischen Netzwerkknoten A und Netzwerkknoten B zu übertragen ist, kann es vorkommen, dass die verschränkten Qubits zwischen A und B schon bald aufgebraucht sind. Gleichzeitig kann es sein, dass sowohl Netzwerkknoten A als auch Netzwerkknoten B in dem quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerk mit einem weiteren Netzwerkknoten C verbunden sind, welcher aktuell keine Nachrichten zu übertragen hat. Mit anderen Worten ist in diesem Beispiel aktuell die Netzwerkauslastung zwischen Netzwerkknoten A und Netzwerkknoten B hoch, und die Netzwerkauslastung zwischen Netzwerkknoten A und Netzwerkknoten C sowie die Netzwerkauslastung zwischen Netzwerkknoten B und Netzwerkknoten C niedrig.It can be seen that the utilization of the existing network infrastructure can be improved even more in this way. For example, if a large amount of data is to be transmitted between network node A and network node B, the entangled qubits between A and B may soon be used up. At the same time, it can be the case that both network node A and network node B in the quantum-supported communication network are connected to a further network node C which currently has no messages to transmit. In other words, in this example, the network load between network node A and network node B is currently high, and the network load between network node A and network node C and the network load between network node B and network node C are low.
Während die Kommunikationslast auf der Verbindung A<->B lastet, werden somit durch die Steuereinrichtungen verschränkte Qubits an den Verbindungen A<->C und C<->B, welche jeweils eine geringe Netzwerkauslastung aufweisen, bereitgestellt. Durch Entanglement Swapping (zu Deutsch etwa: Verschränkungsaustausch) können nun die verschränkte Qubits der Verbindung A<->C und der Verbindung B<->C (oder, einfacher gesagt, der Verbindung A<->C<->B) verwendet werden, um Daten quantenbasiert zwischen A und B zu übertragen. Das Beispiel ist leicht auf weitere vorhandene Netzwerkknoten übertragbar, wobei die quantenbasierte Übertragung von Netzwerkknoten A nach Netzwerkknoten B dann eben zusätzlich über Entanglement Swapping durch weitere indirekte Verbindungen A<->X<>...<->Y<->B durchgeführt werden kann. Die für das Swapping notwendige Übertragung von Qubits läuft dabei vollständig auf den Verbindungen A<->X<-> ... <>Y<->B ab, nicht jedoch auf der Strecke A<->B.While the communication load is on connection A <-> B, interleaved qubits are thus provided by the control devices on connections A <-> C and C <-> B, which each have a low network load. Through entanglement swapping (in German, for example: Entanglement exchange), the entangled qubits of connection A <-> C and connection B <-> C (or, more simply, connection A <-> C <-> B) can now be used to transfer data quantum-based between A and B. transferred to. The example can easily be transferred to other existing network nodes, with the quantum-based transfer from network node A to network node B then also being carried out via entanglement swapping through further indirect connections A <-> X <> ... <-> Y <-> B can. The transfer of qubits required for swapping takes place entirely on connections A <-> X <-> ... <> Y <-> B, but not on route A <-> B.
Die Ressourcenkosten für das Entanglement Swapping können beispielsweise auch in einer Kostenfunktion verwendet werden, auf welcher das Routing in dem quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerk basiert.The resource costs for entanglement swapping can, for example, also be used in a cost function on which the routing in the quantum-supported communication network is based.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Weiterbildungen von Ausführungsformen sind die Steuereinrichtungen dazu ausgebildet, die Netzwerkknoten zu steuern, in einem Hohe-Bandbreite-Modus Nachrichten zumindest auch mittels Quanten-Netzwerk-Verbindungen zu versenden, falls zwischen den Netzwerkknoten ausreichend verschränkte Qubits für das Versenden der jeweiligen Nachricht zu Verfügung stehen. Die Steuereinrichtung können optional außerdem dazu eingerichtet sein, in dem Hohe-Bandbreite-Modus die Nachricht ausschließlich mittels Klassische-Netzwerk-Verbindungen zu versenden, falls für eine Nachricht nicht ausreichend verschränkte Qubits zur Verfügung stehen. Auf diese Weise wird die vorhandene Bandbreite vorrangig genutzt, um die Daten zu übermitteln, sei es quantenbasiert oder auf klassische Weise. Somit können Nachrichten besonders schnell übermittelt werden.According to some preferred embodiments, variants or developments of embodiments, the control devices are designed to control the network nodes to send messages in a high-bandwidth mode, at least also by means of quantum network connections, if there are enough entangled qubits between the network nodes for sending are available for the respective message. The control device can optionally also be set up to send the message in the high bandwidth mode exclusively by means of classic network connections if insufficiently entangled qubits are available for a message. In this way, the available bandwidth is primarily used to transmit the data, be it quantum-based or in a classic way. Messages can thus be transmitted particularly quickly.
Unter eine Übertragung „zumindest auch mittels Quanten-Netzwerk-Verbindung“ soll verstanden werden, dass die Übertragung entweder ausschließlich mittels Quanten-Netzwerk-Verbindung erfolgt, oder aber durch Verwendung von sowohl einer Quanten-Netzwerk-Verbindung als auch einer Klassische-Netzwerk-Verbindung. Beispielsweise kann „superdense coding“ verwendet werden, wobei durch Übertragung eines einzelnen Qubits zwei klassische Bits übertragen werden können. Ein solches „superdense coding“ zur quantenunterstützten Kommunikation über Klassische-Netzwerk-Verbindungen ist beispielsweise in
In dem Hohe-Bandbreite-Modus wird somit quantenunterstützte Kommunikation unter Verwendung der Quanten-Netzwerk-Verbindung so lange verwendet, wie hierfür verschränkte Qubits zur Verfügung stehen, d.h. solange die Anzahl der in der Quanten-Speichereinrichtung verbleibenden, zwischen Sender und Empfänger verschränkten Qubits größer ist als die Zahl C der pro quantenassistierter (oder: verschränkungsassistierter) Übertragung verbrauchter verschränkter Qubits. Üblicherweise sind Quanten-Netzwerk-Verbindungen, sofern sie physisch getrennt von den Klassische-Netzwerk-verbindungen angelegt sind, auch für klassische Nachrichtenübertragung verwendet werden, beispielsweise wenn gerade keine verschränkten Qubits vorhanden sind. In einem solchen Fall kann in dem Hohe-Bandbreite-Modus somit durchgängig sowohl der physische Träger (d.h. die Leitung) für die Klassische-Netzwerk-Verbindung als auch der physische Träger für die Quanten-Netzwerk-Verbindung verwendet werden.In the high bandwidth mode, quantum-supported communication using the quantum network connection is used as long as entangled qubits are available for this purpose, ie as long as the number of qubits remaining in the quantum storage device and entangled between sender and receiver is greater is the number C of the entangled qubits consumed per quantum-assisted (or: entanglement-assisted) transmission. Quantum network connections, provided they are physically separate from the classic network connections, are usually also used for traditional message transmission, for example when there are currently no entangled qubits. In such a case, both the physical carrier (i.e. the line) for the classic network connection and the physical carrier for the quantum network connection can thus be used consistently in the high bandwidth mode.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Weiterbildungen von Ausführungsformen sind die Steuereinrichtungen dazu ausgebildet, die Netzwerkknoten zu steuern, in einem Hohe-Sicherheit-Modus Nachrichten ausschließlich zumindest unter Verwendung von Quanten-Netzwerk-Verbindungen zu versenden, falls zwischen den Netzwerkknoten ausreichend verschränkte Qubits für das Versenden der jeweiligen Nachricht zu Verfügung stehen, und, falls nicht ausreichend verschränkte Qubits zur Verfügung stehen, mit dem Versenden zu warten, bis ausreichend Qubits zur Verfügung stehen.According to some preferred embodiments, variants or developments of embodiments, the control devices are designed to control the network nodes, to send messages in a high security mode exclusively at least using quantum network connections if there are enough entangled qubits for between the network nodes the sending of the respective message are available, and, if there are not enough interlaced qubits available, to wait until sufficient qubits are available before sending them.
Unter einer Übertragung „ausschließlich zumindest unter Verwendung von Quanten-Netzwerk-Verbindungen“ soll verstanden werden, dass eine Übertragung nur dann stattfindet, wenn eine Nachricht vollständig quantenbasiert (d.h. über die Quanten-Netzwerk-Verbindung) oder durch eine Kombination von quantenbasierter und klassischer (d.h. Klassische-Netzwerk-Verbindung) Kommunikation übertragen werden kann, nicht aber dann, wenn sie ausschließlich über die Klassische-Netzwerk-Verbindung, d.h. klassisch, übertragen werden kann. Insbesondere wird hier die quantenbasierte Erzeugung von Schlüsselpaaren als Bestandteil der Nachrichtenübertragung betrachtet.A transmission "exclusively using quantum network connections" is to be understood as meaning that a transmission only takes place if a message is completely quantum-based (i.e. via the quantum network connection) or through a combination of quantum-based and classic ( ie classic network connection) Communication can be transmitted, but not if it can only be transmitted via the classic network connection, ie classic. In particular, the quantum-based generation of key pairs is considered here as part of the message transmission.
Der Hohe-Bandbreite-Modus, der Hohe-Sicherheit-Modus und/oder beliebige andere Modi können beispielsweise für das gesamte quantenunterstützte Kommunikationsnetzwerk, für eine bestimmte Kombination von Netzwerkknoten, oder auch nur für eine bestimmte Nachricht, dauerhaft oder temporär festgelegt oder dynamisch bestimmt werden. Beispielsweise kann eine zu versendende Nachricht Meta-Informationen enthalten, welche angeben, in welchem Modus die Nachricht durch das quantenunterstützte Kommunikationsnetzwerk versendet werden soll.The high bandwidth mode, the high security mode and / or any other modes can, for example, be permanently or temporarily set or for the entire quantum-supported communication network, for a specific combination of network nodes, or only for a specific message can be determined dynamically. For example, a message to be sent can contain meta-information which specifies the mode in which the message is to be sent through the quantum-supported communication network.
Des Weiteren wird, gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerks mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Bereitstellen eines quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerks mit einer Vielzahl von Netzwerkknoten,
- wobei mindestens zwei, bevorzugt mehrere oder sogar alle, Netzwerkknoten mittels Klassische-Netzwerk-Verbindungen verbunden sind und mittels Quanten-Netzwerk-Verbindungen verbunden sind, mittels welchen Quantenzustände übertragen werden können;
- wobei je zwei über eine Quanten-Netzwerk-Verbindung verbundene Netzwerkknoten mit einer den Knoten zugeordneten Quantenquelle des quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerks verbunden sind, welche dazu ausgebildet ist, den zugeordneten Netzwerkknoten verschränkte Qubits bereitzustellen;
- Erzeugen von verschränkten Qubits mittels der Quantenquellen;
- Speichern der erzeugten Qubits in den Quanten-Speichereinrichtungen zum Verwenden in der Quanten-Netzwerk-Verbindung;
- Erkennen von Phasen geringer Netzwerkauslastung der Klassische-Netzwerk-Verbindung zwischen Netzwerkknoten;
- Steuern, in erkannten Phasen geringer Netzwerkauslastung, von Quantenquellen, um die jeweilige Phase geringer Netzwerkauslastung dazu zu verwenden, den Netzwerkknoten verschränkte Qubits bereitzustellen.
- Provision of a quantum-supported communication network with a large number of network nodes,
- wherein at least two, preferably several or even all, network nodes are connected by means of classic network connections and are connected by means of quantum network connections by means of which quantum states can be transmitted;
- two network nodes connected via a quantum network connection being connected to a quantum source of the quantum-supported communication network assigned to the node, which is designed to provide entangled qubits to the assigned network node;
- Generating entangled qubits by means of the quantum wells;
- Storing the generated qubits in the quantum storage devices for use in the quantum network connection;
- Detection of phases of low network load of the classic network connection between network nodes;
- Control of quantum sources in identified phases of low network load in order to use the respective phase of low network load to provide the network nodes with entangled qubits.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Weiterbildungen von Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem die Schritte: Austauschen, umfassend Versenden und Erhalten, von Verbindungszustandspaketen, welche Informationen über die Netzwerkauslastung und/oder Informationen über die Anzahl gespeicherter verschränkter Qubits enthalten, zwischen den Netzwerkknoten; und Steuern der Netzwerkknoten basierend auf den erhaltenen Informationen.According to some preferred embodiments, variants or developments of embodiments, the method also comprises the steps: exchanging, including sending and receiving, connection status packets, which contain information about the network load and / or information about the number of stored interleaved qubits, between the network nodes; and controlling the network nodes based on the information obtained.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Weiterbildungen von Ausführungsformen umfasst das Verfahren zusätzlich den Schritt: Austauschen von verschränkten Qubits zwischen Netzwerkknoten mittels Entanglement Swapping basierend auf den erhaltenen Informationen, insbesondere um verschränkte Qubits von Netzwerkknoten mit aktuell vergleichsweise geringer Auslastung an Netzwerkknoten mit aktuell vergleichsweise höherer Auslastung bereitzustellen.According to some preferred embodiments, variants or developments of embodiments, the method additionally includes the step: exchanging entangled qubits between network nodes by means of entanglement swapping based on the information received, in particular about entangled qubits from network nodes with currently comparatively low utilization at network nodes with currently comparatively higher utilization provide.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Weiterbildungen von Ausführungsformen umfasst das Verfahren zusätzlich die Schritte: Prüfen, wie viele verschränkten Qubits aktuell zwischen zwei Netzwerkknoten vorliegen; und Versenden von Nachrichten, in einem Hohe-Bandbreite-Modus, zumindest auch mittels Quanten-Netzwerk-Verbindungen, falls zwischen den Netzwerkknoten ausreichend verschränkte Qubits für das Versenden der jeweiligen Nachricht zu Verfügung stehen, und ausschließlich mittels Klassische-Netzwerk-Verbindungen, falls für eine Nachricht nicht ausreichend verschränkte Qubits zur Verfügung stehen.According to some preferred embodiments, variants or developments of embodiments, the method additionally comprises the steps: checking how many interlaced qubits are currently present between two network nodes; and sending messages in a high bandwidth mode, at least also using quantum network connections, if there are enough entangled qubits available between the network nodes for sending the respective message, and exclusively using classic network connections, if for a message does not have enough entangled qubits available.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Weiterbildungen von Ausführungsformen umfasst das Verfahren zusätzlich die Schritte: Prüfen, wie viele verschränkten Qubits aktuell zwischen zwei Netzwerkknoten vorliegen; und Versenden von Nachrichten, in einem Hohe-Sicherheit-Modus, ausschließlich zumindest unter Verwendung von Quanten-Netzwerk-Verbindungen, falls zwischen den Netzwerkknoten ausreichend verschränkte Qubits für das Versenden der jeweiligen Nachricht zu Verfügung stehen, und, falls nicht ausreichend verschränkte Qubits zur Verfügung stehen, Verzögern des Versendens, bis ausreichend Qubits zur Verfügung stehen.According to some preferred embodiments, variants or developments of embodiments, the method additionally comprises the steps: checking how many interlaced qubits are currently present between two network nodes; and sending messages, in a high-security mode, exclusively at least using quantum network connections, if sufficient entangled qubits are available between the network nodes for sending the respective message, and if insufficiently entangled qubits are available delay sending until enough qubits are available.
Das Prüfen, wie viele verschränkten Qubits aktuell zwischen zwei Netzwerkknoten vorliegen, erfolgt vorteilhaft stets mittels zerstörungsfreien Quantenmessungen.The checking of how many entangled qubits are currently present between two network nodes is advantageously always carried out by means of non-destructive quantum measurements.
Das Verfahren kann außerdem Schritte zum Einstellen des Hohe-Sicherheit-Modus, des Hohe-Bandbreite-Modus oder auch anderer Modi enthalten, beispielsweise basierend auf einer Benutzereingabe an mindestens einen Netzwerkknoten, basierend auf einer Meta-Information einer zu versendenden Nachricht, basierend auf einer Tabelle mit Eigenschaften (beispielsweise Vertrauenswürdigkeitswerten) der Netzwerkknoten und/oder dergleichen mehr.The method can also include steps for setting the high security mode, the high bandwidth mode or also other modes, for example based on a user input at least one network node, based on meta information of a message to be sent, based on a table with properties (for example trustworthiness values) of the network nodes and / or the like.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Varianten und Weiterbildungen sind allesamt auf das erfindungsgemäße quantenunterstützte Kommunikationsnetzwerk anwendbar und umgekehrt. The above configurations and developments can be combined with one another as desired, provided that it makes sense. The variants and developments described for the method according to the invention can all be applied to the quantum-supported communication network according to the invention, and vice versa.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.Further possible configurations, developments and implementations of the invention also include combinations, which are not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
Nummerierungen von Verfahrensschritten dienen, sofern nichts explizit oder implizit anders beschrieben wird, der besseren Übersichtlichkeit und nicht notwendigerweise der Darstellung einer zwingenden Reihenfolge, auch wenn gemäß einigen Ausführungsformen die Schritte beispielsweise in der Reihenfolge ihrer Nummerierung durchgeführt werden können. Generell können die Schritte aber insbesondere auch gleichzeitig oder zumindest teilweise überlappend, sowie jeweils ein- oder mehrfach durchgeführt werden.Unless explicitly or implicitly described otherwise, numbering of method steps is used for better clarity and not necessarily to show a mandatory sequence, even if, according to some embodiments, the steps can be carried out, for example, in the sequence in which they are numbered. In general, however, the steps can in particular also be carried out simultaneously or at least partially overlapping, and in each case one or more times.
FigurenlisteFigure list
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
-
1 ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine Schemazeichnung zum Erläutern von Details des Kommunikationsnetzwerks gemäß1 ; -
3 ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
4 eine Schemazeichnung zum Erläutern von Details des Kommunikationsnetzwerks gemäß3 .
-
1 a schematic block diagram of an inventive quantum-assisted communication network according to an embodiment of the present invention; -
2 a schematic drawing for explaining details of the communication network according to FIG1 ; -
3 a schematic block diagram of an inventive quantum-assisted communication network according to a further embodiment of the present invention; and -
4th a schematic drawing for explaining details of the communication network according to FIG3 .
Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangebende Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „vorne“, „hinten“ und ähnliche Angaben werden lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und dienen nicht der Beschränkung der Allgemeinheit auf spezifische Ausgestaltungen wie in den Figuren gezeigt.The accompanying figures are intended to provide a further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, in conjunction with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the advantages mentioned emerge with a view to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale with one another. Directional terminology such as "above", "below", "left", "right", "above", "below", "horizontal", "vertical", "front", "rear" and similar information are only used for explanatory purposes Used for purposes and not to restrict the generality to specific configurations as shown in the figures.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures of the drawing, identical, functionally identical and identically acting elements, features and components - unless stated otherwise - are each provided with the same reference symbols.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS
Das quantenunterstützte Kommunikationsnetzwerk
Je zwei Netzwerkknoten
Je zwei über eine Quanten-Netzwerk-Verbindung
Vorliegend wird für die Beschreibung davon ausgegangen, dass die Quantenquelle
Die Netzwerkknoten
Die Steuereinrichtungen
Zum zuverlässigen Verteilen von Qubits an die Netzwerkknoten kann beispielsweise ein Gleitendes-Fenster-Protokoll verwendet werden, wie im Folgenden anhand der Netzwerkknoten
Wenn ein Frame mit Qubits übertragen wird, werden die Qubits (bzw. Hälften der EPR-Paare) zunächst eins nach dem anderen an den Empfänger-Netzwerkknoten
Von oben nach unten gelesen: Zunächst wird mittels der Quantenquelle
Daraufhin wird seitens des Sende-Netzwerkknoten
Daraufhin sendet der Sender-Netzwerkknoten
Der Empfang jedes der drei Frames wird durch ein Bestätigungssignal von dem Empfänger-Netzwerkknoten
Daraufhin sendet der Sender-Netzwerkknoten
Der Sender-Netzwerkknoten
Der Sender-Netzwerkknoten
Der Empfänger-Netzwerkknoten
Schließlich sendet der Empfänger-Netzwerkknoten
Wie bereits erwähnt, prüft der Empfänger-Netzwerkknoten
Das Gleitendes-Fenster-Protokoll kann auch wie folgt dargestellt werden, wobei Kommentare in /* ... /* gefasst abgedruckt werden:
Gleitendes-Fenster-Protokoll:The sliding window report can also be displayed as follows, whereby comments are printed in / * ... / *:
Sliding Window Log:
Input: Eine vorbestimmte Verschränkungstreue (Engl. „entanglement fidelity“) Fmin, eine Gesamtanzahl N von verschränkten Paaren und eine Anzahl T von Qubits für das Testen fremder Treue (engl. „foreign fidelity testing“). Es wird angenommen, dass ein handshake-Protokoll zum Initiieren des Transfers von Verschränkungs-Frames etabliert wurde, während der Übermittlungspuffer auf der Sender(netzwerkknoten)seite leer war. Wenn ein Frame erneut übersendet wird, wird zunächst der Quantenspeicher (Kurzfrist-Quantenspeicher oder Quanten-Speichereinrichtung), welcher die Qubits in diesem Frame am Sender-Netzwerkknoten hält, davon bereinigt. Input: A predetermined entanglement fidelity Fmin, a total number N of entangled pairs and a number T of qubits for testing foreign fidelity. It is assumed that a handshake protocol for initiating the transfer of interleaving frames was established while the transmission buffer on the sender (network node) side was empty. When a frame is retransmitted, the quantum memory (short-term quantum memory or quantum memory device) that holds the qubits in this frame at the sender network node is cleared of it.
An dieser Stelle sei ergänzt, dass vorteilhaft jedes Frame mit einer einzigartigen (entweder absolut, oder zumindest innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters) Seriennummer versehen werden, welche zwischen Sender-Netzwerkknoten
Im Folgenden wird ein Betreiben des quantenunterstützten Kommunikationsnetzwerks
In dem Hohe-Bandbreite-Modus werden von den ersten Netzwerkknoten
Da in dem Hohe-Bandbreite-Modus bezeichnungsgemäß eine möglichst hohe Bandbreite bzw. Übertragungsrate erzielt werden soll, werden zunächst die vorhandenen verschränkten Qubits verwendet, um ausschließlich, oder zumindest unterstütztend zusätzlich zu der Klassische-Netzwerk-Verbindung
Die genannte Übertragung ausschließlich (oder zumindest auch) unter Verwendung der Quanten-Netzwerk-Verbindung
Da in diesem Beispiel die Klassische-Netzwerk-Verbindung
Beispielsweise könnten bestimmten Netzwerkknoten
Andere Modi als der genannte Hohe-Bandbreite-Modus, etwa der Hohe-Sicherheit-Modus oder weitere Modi, können ebenfalls verwendet werden, bedürfen hier aber keiner näheren Erläuterung.Modes other than the aforementioned high-bandwidth mode, for example the high-security mode or other modes, can also be used, but do not require any further explanation here.
Anhand
Es sei angenommen, dass, wie in
Das heißt, es besteht eine erste Quanten-Netzwerk-Verbindung
Ebenso besteht eine erste Klassische-Netzwerk-Verbindung
Es kann nun sein, dass es häufig vorkommt, dass der erste Netzwerkknoten
Dies kann mittels eines erfindungsgemäßen Verschränkungs-Balance-Protokoll durchgeführt werden, welches im Folgenden erläutert werden wird. Ausdrücke wie „falls X“ und dergleichen beziehen sich auf Boole'sche Abfragen. „Falls“ entspricht der üblicherweise als „if“ bezeichneten Abfrage, und „andernfalls“ entspricht dem üblicherweise als „else“ bezeichneten Kommando. This can be carried out by means of an entanglement balance protocol according to the invention, which will be explained below. Expressions like “if X” and the like refer to Boolean queries. “If” corresponds to the query usually referred to as “if”, and “otherwise” corresponds to the command usually referred to as “else”.
Eine weitere mögliche Verbesserung ergibt sich, wenn, für das Routing in der Internet- oder Netzwerkschicht die Bandbreite der quantenunterstützten Kommunikationsverbindung zwischen Netzwerkknoten
Im Folgenden wird ein Bandbreite-Schätzungs-Protokoll beschrieben, welches einen Bandbreitewert bereitstellt, welcher für eine vorgegebene Vverbindung garantiert werden kann. Somit kann der Bandbreitewert auch kleiner sein als die exakte Bandbreite zum tatsächlichen Zeitpunkt der Übertragung. Die grundlegende Idee des Bandbreite-Schätzungs-Protokolls ist eine statistische Auswertung der durchschnittlichen Kommunikationsrate (Bandbreite), indem die Anzahl von Übertragungen sowie deren Verwendung von verschränkten Qubits überwacht wird. In the following, a bandwidth estimation protocol is described which provides a bandwidth value which can be guaranteed for a given V connection. This means that the bandwidth value can also be smaller than the exact bandwidth at the actual time of transmission. The basic idea of the bandwidth estimation protocol is a statistical evaluation of the average communication rate (bandwidth) by monitoring the number of transmissions and their use of entangled qubits.
Hierzu wird etwa an jedem Ende einer Quanten-Netzwerk-Verbindung
Wie bereits mehrfach beschrieben wurde, ist die Anzahl der verfügbaren verschränkten Qubits für eine Quanten-Netzwerk-Verbindung
(Ein mögliches) Bandbreite-Schätzungs-Protokoll:
Input: Maximalzahl der Verstöße NV, Fenstergröße WS, Maximalzahl RS der zu entnehmenden Proben, Prozentzahl welche eine Toleranz zwischen verkündeter und tatsächlicher Bandbreite quantifiziert; optional incr und decr
(One possible) bandwidth estimation protocol:
Input: maximum number of violations NV, window size WS, maximum number RS of the samples to be taken, percentage which quantifies a tolerance between the announced and actual bandwidth; optional incr and decr
„LSP" steht hier für Verbindungszustandspakete („link state package“), welche somit Informationen über die Netzwerkauslastung und/oder Informationen über die Anzahl gespeicherter verschränkter Qubits enthalten können."LSP" stands for link state packages, which can thus contain information about the network load and / or information about the number of stored interlaced qubits.
(Ein mögliches) Erwartete-Bandbreite-Protokoll:(One possible) expected bandwidth protocol:
#Ein Protokoll zum Ermitteln einer Bandbreite einer quantenunterstützten Kommunikationsverbindung, welche klassische Information übermittelt
Input: Zwei quantenunterstützte Netzwerkknoten
Input: Two quantum-supported network nodes
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.In the preceding detailed description, various features have been summarized in one or more examples to improve the stringency of the presentation. It should be clear, however, that the above description is merely illustrative and in no way restrictive in nature. It serves to cover all alternatives, modifications and equivalents of the various features and exemplary embodiments. Many other examples will be immediately and immediately apparent to the person skilled in the art on the basis of his technical knowledge in view of the above description.
Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.The exemplary embodiments were selected and described in order to be able to illustrate the principles on which the invention is based and their possible applications in practice as well as possible. This enables those skilled in the art to optimally modify and use the invention and its various exemplary embodiments with regard to the intended use. In the claims and the description, the terms “including” and “having” are used as neutral-language terms for the corresponding terms “comprising”. Furthermore, the use of the terms “a”, “an” and “an” should not fundamentally exclude a plurality of features and components described in this way.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- D. Siddharta et al., „Robust quantum network architectures and topologies for entanglement distribution“, Physical Review A 97, Nr. 1 (29. Januar 2018) [0005]D. Siddharta et al., "Robust quantum network architectures and topologies for entanglement distribution", Physical Review A 97, No. 1 (January 29, 2018) [0005]
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- Körber et al., „Decoherence-protected memory for a single-photon qubit.“, Nature Photonics 12.1 (2018): 18 [0018]Körber et al., "Decoherence-protected memory for a single-photon qubit.", Nature Photonics 12.1 (2018): 18 [0018]
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- Yin et al., „Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers.“ Science 356.6343 (2017): 1140-1144 [0020]Yin et al., "Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers." Science 356.6343 (2017): 1140-1144 [0020]
- Bennett et al., „Entanglement-assisted classical capacity of noisy quantum channels.“ Physical Review Letters 83.15 (1999): 3081 [0035]Bennett et al., “Entanglement-assisted classical capacity of noisy quantum channels.” Physical Review Letters 83.15 (1999): 3081 [0035]
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102020207644.8A Pending DE102020207644A1 (en) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | Quantum-assisted communication network and method for operating a quantum-assisted communication network |
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DE (1) | DE102020207644A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20180237040A1 (en) | 2016-03-21 | 2018-08-23 | General Electric Company | Locomotive control system |
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2020
- 2020-06-19 DE DE102020207644.8A patent/DE102020207644A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20180237040A1 (en) | 2016-03-21 | 2018-08-23 | General Electric Company | Locomotive control system |
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