KR102128362B1 - Method of synchronzing qunatum network and quantum system performing thereof - Google Patents

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    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic

Abstract

본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화 방법이 제공된다. 상기 방법은 송신 기기인 제1 기기에 의해 수행되고, 수신 기기인 제2 기기와 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)를 이용하여 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행하는 주파수 동기화 구성 단계; 및 상기 클록 네트워크에서 주파수 드리프트에 기인하는 비동기화(desynchronization)를 검출하는 비동기화 검출 단계를 포함하고, 양자 네트워크(QN)에서 단일 광자의 다중 자유도(DOF: degrees of freedom)을 이용하여, 양자 시계 동기화의 정확성을 향상시킬 수 있다.A method for synchronizing a quantum network according to the present invention is provided. The method comprises: a frequency synchronization configuration step of performing a clock network configuration for frequency synchronization by using a quantum clock synchronized with a second device as a receiving device; And an asynchronous detection step of detecting desynchronization due to frequency drift in the clock network, and using multiple degrees of freedom (DOF) of a single photon in a quantum network (QN), It can improve the accuracy of clock synchronization.

Description

양자 네트워크 동기화 방법 및 이를 수행하는 양자 시스템{Method of synchronzing qunatum network and quantum system performing thereof}A quantum network synchronization method and a quantum system performing the same{Method of synchronzing qunatum network and quantum system performing thereof}

본 발명은 양자 네트워크 동기화 방법 및 이를 수행하는 양자 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 양자 초얽힘 양자 시계 동기화 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a quantum network synchronization method and a quantum system performing the same. More particularly, it relates to a method and system for synchronizing quantum hyperentangled quantum clocks.

양자 클록 동기화에서, 동기화된 클록 생성을 위하여 이전의 얽힘(entanglement)을 사용하기 위한 프토토콜이 Josza 등에 의해 제시되었지만, 양자 클록의 효율적인 전송을 위한 프로토콜이 제시될 필요가 있다. Giovannetti 등은 양자 클록 동기화와 관련되고 포지셔닝을 위한 양자 효과를 이용하는 방법에 대해 언급하고 있다. In quantum clock synchronization, a protocol for using a previous entanglement for synchronized clock generation has been proposed by Josza et al., but a protocol for efficient transmission of the quantum clock needs to be presented. Giovannetti et al. relate to quantum clock synchronization and mention how to use quantum effects for positioning.

한편, 양자 클록 동기화에서, 동기화(synchronization)는 공간적으로 분산된 네트워크의 클록이 정확한 정보를 제공하도록 요구되는 시간유지 응용(timekeeping applications)의 핵심에 해당한다. 네비게이션, 로컬화 및 텔레커뮤니케이션은 이러한 클록 동기화로부터 직접적으로 혜택을 받는 응용에 해당한다. 지금까지 정확한 클록의 출현에 따라, 정확한 클록 동기화의 필요성은 매우 중요하다. 한편, 3.2×10- 18 의 시스템 상 상대적 불확실성을 갖는 171Yb+ 에 기반한 광학 시계가 제공되었다. 이러한 광학 시계는 Gravitational 파장과 같은 다양한 물리 현상의 발견에 기반하고 있다. 고전적인 기법을 넘어서, 특수 상대성 이론은 두 개의 시스템 간에 광 펄스의 동작상의 가시적 변경(operational line of sight exchange)과 관련된 아인슈타인 동기화로 알려진 분산 시계의 동기화에 대한 절차를 제공한다.On the other hand, in quantum clock synchronization, synchronization is the core of timekeeping applications where the clock of a spatially distributed network is required to provide accurate information. Navigation, localization and telecommunications are applications that directly benefit from this clock synchronization. With the advent of accurate clocks so far, the need for accurate clock synchronization is very important. On the other hand, 3.2 × 10 - The optical clock based on 171 Yb + has a relative uncertainty of the system 18 has been provided. These optical watches are based on the discovery of various physics phenomena such as gravitational wavelengths. Beyond the classical technique, the special theory of relativity provides a procedure for the synchronization of distributed clocks, known as Einstein synchronization, related to the operational line of sight exchange of light pulses between two systems.

한편, 네트워크의 광 클록을 동기화하기 위한 절차에서, 네트워크의 얽힌 상태가 국부 발진기(LO: Local Oscillator)의 편차(deviation)에 관한 초-정밀 정보를 제공하는데 이용될 수 있다. 이러한 편차는 양자 효과를 이용하는 하이젠베르그 정확도(Heisenberg precision)까지 정확하게 계산되어야 한다.Meanwhile, in the procedure for synchronizing the optical clock of the network, the entangled state of the network can be used to provide ultra-precision information about the deviation of the local oscillator (LO). These deviations must be accurately calculated to Heisenberg precision using quantum effects.

하지만, 지금까지 알려진 바에 의하면, 실제 변화 모델(realistic evolution models)의 경우에, LO의 주파수의 변동에 의해 영향을 받는 노드에서, 다양한 인자에 대한 상호 측정 등을 통해 주파수 비동기화를 검출하고 주파수 재동기화를 수행하는 방법에 대한 프로토콜이 제시된 바 없다는 문제점이 있다.However, according to what has been known so far, in the case of realistic evolution models, at the node affected by fluctuations in the frequency of the LO, frequency asynchronousity is detected through mutual measurement of various factors, etc. There is a problem that a protocol for a method of performing synchronization has not been proposed.

따라서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, LO의 주파수의 변동에 의해 영향을 받는 노드에서, 다양한 인자에 대한 상호 측정 등을 통해 정확한 양자 네트워크 동기화 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.Accordingly, an object to be solved in the present invention is to provide an accurate quantum network synchronization method through mutual measurement of various factors, etc. in a node affected by fluctuation of the frequency of LO.

또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 다양한 인자에 대한 상호 측정 등을 통해 주파수 비동기화를 검출하고 주파수 재동기화를 수행하는 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.In addition, an object to be solved in the present invention is to provide a method for detecting frequency asynchronousity and performing frequency resynchronization through mutual measurement of various factors.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화 방법이 제공된다. 상기 방법은 송신 기기인 제1 기기에 의해 수행되고, 수신 기기인 제2 기기와 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)를 이용하여 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행하는 주파수 동기화 구성 단계; 및 상기 클록 네트워크에서 주파수 드리프트에 기인하는 비동기화(desynchronization)를 검출하는 비동기화 검출 단계를 포함하고, 양자 네트워크(QN)에서 단일 광자의 다중 자유도(DOF: degrees of freedom)을 이용하여, 양자 시계 동기화의 정확성을 향상시킬 수 있다.A quantum network synchronization method according to the present invention for solving the above problems is provided. The method comprises: a frequency synchronization configuration step of performing a clock network configuration for frequency synchronization by using a quantum clock synchronized with a second device as a receiving device; And an asynchronous detection step of detecting desynchronization due to frequency drift in the clock network, and using multiple degrees of freedom (DOF) of a single photon in a quantum network (QN), It can improve the accuracy of clock synchronization.

일 실시 예에서, 위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행하는 주파수 재동기화 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, a frequency resynchronization step of performing frequency resynchronization through phase estimation may be further included.

일 실시 예에서, 상기 주파수 동기화 구성 단계에서, 상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득할 수 있다. 이때, 상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시킬 수 있다.In an embodiment, in the frequency synchronization configuration step, information on the state of N singlets shared between the first device and the second device may be obtained. In this case, the singlet state may be changed by introducing a sinusoidal component having a bell-based to the singlet state.

일 실시 예에서, 상기 비동기화 검출 단계는, 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)을 수행하고, 상기 벨 상태 측정에 기반하여 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제2 기기로 전송하고, 상기 제2 기기로부터 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 수신할 수 있다. 이때, 상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 검출과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 상기 주파수 재동기화 단계를 수행할 수 있다.In one embodiment, the asynchronous detection step performs a bell state measurement for a photon, and provides information on polarization degrees of freedom (POL DOF) for the photon based on the measurement of the bell state. Transmitting to the 2 devices, it is possible to receive the results of the mutual measurement (joint measurement) for the POL DOF from the second device. In this case, if the frequency deviation due to the frequency drift exceeds the allowable range associated with the asynchronous detection based on the mutual measurement result, the frequency resynchronization step may be performed.

일 실시 예에서, 상기 주파수 재동기화 단계에서, 초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를

Figure 112018094391593-pat00001
에 의한 유니터리
Figure 112018094391593-pat00002
를 이용하여 변화(evolution)시킬 수 있다. 이때, 상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행할 수 있다.In one embodiment, in the frequency resynchronization step, photons in a hyperentangled state
Figure 112018094391593-pat00001
By unity
Figure 112018094391593-pat00002
It can be changed using (evolution). At this time, the change in SPA DOF due to the change may be determined by the frequency drift parameter (χ). Further, the phase prediction may be performed through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ), and the frequency resynchronization may be performed based on the phase prediction.

본 발명의 다른 측면에 따른 양자 네트워크 동기화 방법을 수행하는 양자 송신 기기가 제공된다. 상기 양자 송신 기기는, 수신 기기인 제2 기기로부터 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 수신하도록 구성된 인터페이스부; 및 상기 동기화된 양자 시계를 이용하여 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행하고, 상기 클록 네트워크에서 주파수 드리프트에 기인하는 비동기화(desynchronization)를 검출하도록 구성된 제어부를 포함한다.Provided is a quantum transmission device that performs a quantum network synchronization method according to another aspect of the present invention. The quantum transmitting device includes: an interface unit configured to receive information on a synchronized quantum clock from a second device that is a receiving device; And a control unit configured to perform a clock network configuration for frequency synchronization using the synchronized quantum clock, and to detect desynchronization due to frequency drift in the clock network.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행할 수 있다.In one embodiment, the control unit may perform frequency resynchronization through phase estimation.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 양자 송신 기기인 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득할 수 있다. 또한, 상기 싱글릿 상태에 벨-기저(bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시킬 수 있다.In one embodiment, the control unit may acquire information regarding the state of N singlets shared between the first and second devices, which are the quantum transmission devices. Further, the singlet state may be changed by introducing a sine wave component having a bell basis to the singlet state.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)을 수행하고, 상기 벨 상태 측정에 기반하여 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제2 기기로 전송하도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제2 기기로부터 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 수신하도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 검출과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우, 상기 클록 네트워크의 클록 레퍼런스를 재동기화할 수 있다.In one embodiment, the control unit performs a bell state measurement for a photon, and based on the measurement of the bell state, information about polarization degrees of freedom (POL DOF) for the photon to the second device It can be controlled to transmit. In addition, the second device may be controlled to receive a result of a joint measurement for the POL DOF. In addition, if the frequency deviation due to the frequency drift exceeds the allowable range associated with the asynchronous detection based on the mutual measurement result, the clock reference of the clock network may be resynchronized.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를

Figure 112018094391593-pat00003
에 의한 유니터리
Figure 112018094391593-pat00004
를 이용하여 변화(evolution)시킬 수 있다. 이때, 상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행할 수 있다. In one embodiment, the controller, the photon of the hyperentangled state (hyperentangled state)
Figure 112018094391593-pat00003
By unity
Figure 112018094391593-pat00004
It can be changed using (evolution). At this time, the change in SPA DOF due to the change may be determined by the frequency drift parameter (χ). Further, the phase prediction may be performed through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ), and the frequency resynchronization may be performed based on the phase prediction.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 양자 네트워크 동기화 방법이 제공된다. 상기 방법은 수신 기기인 제2 기기에 의해 수행되고, 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 전송하여 송신 기기인 제1 기기와 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행하는 주파수 동기화 구성 단계; 및 상기 클록 네트워크에서 클록 큐빗의 주파수 드리프트를 검출하여 비동기화(desynchronization)를 예측하는 비동기화 예측 단계를 포함한다.A method of synchronizing a quantum network according to another aspect of the present invention is provided. The method comprises: a frequency synchronization configuration step of performing a clock network configuration for frequency synchronization with a first device as a transmitting device by transmitting information about a synchronized quantum clock performed by a second device as a receiving device; And an asynchronous prediction step of detecting a frequency drift of a clock qubit in the clock network to predict desynchronization.

일 실시 예에서, 위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행하는 주파수 재동기화 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, a frequency resynchronization step of performing frequency resynchronization through phase estimation may be further included.

일 실시 예에서, 상기 주파수 동기화 구성 단계에서, 상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득할 수 있다. 이때, 상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시킬 수 있다.In an embodiment, in the frequency synchronization configuration step, information on the state of N singlets shared between the first device and the second device may be obtained. In this case, the singlet state may be changed by introducing a sinusoidal component having a bell-based to the singlet state.

일 실시 예에서, 상기 비동기화 예측 단계에서, 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)에 기반하는 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제1 기기로부터 수신하고, 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 획득할 수 있다. 또한, 상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 예측과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 상기 주파수 재동기화 단계가 수행될 수 있다.In one embodiment, in the asynchronous prediction step, information on polarization degrees of freedom (POL DOF) for a photon based on a bell state measurement for a photon is received from the first device, and the POL Results of joint measurement for DOF can be obtained. Also, the frequency resynchronization step may be performed when the frequency deviation due to the frequency drift exceeds an allowable range associated with the asynchronous prediction based on the mutual measurement result.

일 실시 예에서, 상기 주파수 재동기화 단계는, 초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를

Figure 112018094391593-pat00005
에 의한 유니터리
Figure 112018094391593-pat00006
를 이용하여 변화(evolution)시킬 수 있다. 이때, 상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행할 수 있다.In one embodiment, the frequency resynchronization step, the photon of the hyperentangled state (hyperentangled state)
Figure 112018094391593-pat00005
By unity
Figure 112018094391593-pat00006
It can be changed using (evolution). At this time, the change in SPA DOF due to the change may be determined by the frequency drift parameter (χ). Further, the phase prediction may be performed through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ), and the frequency resynchronization may be performed based on the phase prediction.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 양자 네트워크 동기화 방법을 수행하는 양자 수신 기기가 제공된다. 상기 양자 수신 기기는, 송신 기기인 제1 기기로 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 전송하도록 구성된 인터페이스부 ― 상기 동기화된 양자 시계를 이용하여 상기 제1 기기가 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행 ―; 및 상기 클록 네트워크에서 클록 큐빗의 주파수 드리프트를 검출하여 비동기화(desynchronization)를 예측하도록 구성된 제어부를 포함한다. A quantum receiving device for performing a quantum network synchronization method according to another aspect of the present invention is provided. The quantum receiving device is an interface unit configured to transmit information on a synchronized quantum clock to a first device that is a transmitting device, a clock network for frequency synchronization of the first device using the synchronized quantum clock Perform configuration ―; And a control unit configured to detect frequency drift of a clock qubit in the clock network and predict desynchronization.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행할 수 있다.In one embodiment, the control unit may perform frequency resynchronization through phase estimation.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득할 수 있다. 또한, 상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시킬 수 있다.In one embodiment, the control unit may acquire information on the state of N singlets shared between the first device and the second device. Further, the singlet state may be changed by introducing a sine wave component having a bell-based basis to the singlet state.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)에 기반하는 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제1 기기로부터 수신하고, 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 획득할 수 있다. 또한, 상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 예측과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 상기 주파수 재동기화가 수행될 수 있다.In one embodiment, the control unit receives information on polarization degrees of freedom (POL DOF) for photons based on a Bell state measurement for photons from the first device, and for the POL DOF Joint measurement results can be obtained. In addition, the frequency re-synchronization may be performed when the frequency deviation due to the frequency drift exceeds an allowable range associated with the asynchronous prediction based on the result of the mutual measurement.

일 실시 예에서, 상기 제어부는, 초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를

Figure 112018094391593-pat00007
에 의한 유니터리
Figure 112018094391593-pat00008
를 이용하여 변화(evolution)시킬 수 있다. 이때, 상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행할 수 있다.In one embodiment, the controller, the photon of the hyperentangled state (hyperentangled state)
Figure 112018094391593-pat00007
By unity
Figure 112018094391593-pat00008
It can be changed using (evolution). At this time, the change in SPA DOF due to the change may be determined by the frequency drift parameter (χ). Further, the phase prediction may be performed through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ), and the frequency resynchronization may be performed based on the phase prediction.

본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 양자 네트워크(QN)에서 단일 광자의 다중 자유도(DOF: degrees of freedom)을 이용하여, 양자 시계 동기화의 정확성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.According to at least one embodiment of the present invention, by using multiple degrees of freedom (DOF) of a single photon in a quantum network (QN), there is an advantage of improving the accuracy of quantum clock synchronization.

또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 클록 동기화에서 궁극적인 양자 자원 한계를 달성하여, 양자 인터넷의 다른 장애를 제거하여 양자 네트워크를 현실화할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one embodiment of the present invention, by achieving the ultimate quantum resource limit in clock synchronization, there is an advantage that can realize the quantum network by removing other obstacles of the quantum Internet.

도 1은 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화를 수행하는 양자 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 양자 기기의 상세 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명에 다른 클록 네트워크의 아키텍쳐를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 편이(deviation)에 따른 변화된 상태의 유사도를 나타내는 확률 Pb를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 싱글릿 상태에서의 주파수 편이 효과를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 Alice 측에서 Bob 측으로의 N-큐빗의 POL의 양자전송을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 주파수 편이 예측의 간섭 유추(interferometric analogy)에 대한 개념도를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 송신 기기인 제1 기기에 의해 수행되는 양자 네트워크 동기화 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 수신 기기인 제2 기기에 의해 수행되는 양자 네트워크 동기화 방법의 흐름도를 나타낸다.
1 shows a quantum system for performing quantum network synchronization according to the present invention.
2 shows a detailed configuration of a quantum device according to the present invention.
3 shows the architecture of a clock network according to the present invention.
4 shows the probability Pb representing the similarity of the changed state according to the deviation according to the present invention.
5 is a conceptual diagram showing a frequency shift effect in a singlet state according to the present invention.
Figure 6 shows the quantum transmission of the POL of the N-Qubit from Alice side to Bob side according to the present invention.
7 shows a conceptual diagram for interferometric analogy of frequency shift prediction according to the present invention.
8 is a flowchart of a quantum network synchronization method performed by a first device, which is a transmission device according to the present invention.
9 is a flowchart of a quantum network synchronization method performed by a second device that is a receiving device according to the present invention.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.The above-described features and effects of the present invention will become more apparent through the following detailed description in connection with the accompanying drawings, and accordingly, those skilled in the art to which the present invention pertains can easily implement the technical spirit of the present invention. Will be able to. The present invention can be applied to various changes and may have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, it is not intended to limit the present invention to a specific disclosure form, it should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. The terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, the first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component. The term “and/or” includes a combination of a plurality of related described items or any of a plurality of related described items.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Should not.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "블록" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. The suffixes "modules", "blocks" and "parts" for the components used in the following description are given or mixed in consideration of only the ease of writing the specification, and do not have meanings or roles distinguished from each other by themselves. .

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described so that those skilled in the art can easily carry out. In the following description of embodiments of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known functions or well-known configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

이하, 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화 방법 및 이를 수행하는 양자 시스템에 대해 살펴보기로 하자. Hereinafter, a quantum network synchronization method according to the present invention and a quantum system performing the same will be described.

이와 관련하여, 도 1은 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화를 수행하는 양자 시스템을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 양자 시스템은 복수의 서브 시스템을 포함하고, 편의상 제1 서브 시스템(100)과 제2 서브 시스템(200)이 포함된 것으로 표현할 수 있다. 하지만, 상기 제1 및 제2 서브 시스템(100, 200)에만 한정되는 것이 아니라, 임의의 개수의 서브 시스템 간에도 적용될 수 있다. 한편, 상기 제1 내지 제3 서브 시스템(100, 200)은 임의의 양자 기기일 수 있다. 이와 관련하여, 제1 및 제2 서브 시스템(100, 200)은 각각 송신 기기인 제1(양자) 기기와 수신 기기인 제2 (양자) 기기일 수 있다. 한편, 상기 제1(양자) 기기(100)와 제2 (양자) 기기(200)는 어느 한 기기가 송신 기기이면 나머지 기기는 수신 기기일 수 있다. 한편, 상기 제1(양자) 기기(100)가 복수의 제2 (양자) 기기(200)들을 제어하는 제어국(또는 기지국, 서버)인 경우도 포함된다. In this regard, FIG. 1 shows a quantum system for performing quantum network synchronization according to the present invention. As illustrated in FIG. 1, the quantum system includes a plurality of subsystems, and for convenience, the first subsystem 100 and the second subsystem 200 may be expressed as being included. However, the present invention is not limited to the first and second sub-systems 100 and 200, and may be applied to any number of sub-systems. Meanwhile, the first to third sub-systems 100 and 200 may be any quantum device. In this regard, the first and second subsystems 100 and 200 may be first (quantum) devices that are transmitting devices and second (quantum) devices that are receiving devices, respectively. On the other hand, the first (quantum) device 100 and the second (quantum) device 200, if any one device is a transmitting device, the other device may be a receiving device. Meanwhile, the case where the first (quantum) device 100 is a control station (or a base station, a server) that controls a plurality of second (quantum) devices 200 is also included.

도 2는 본 발명에 따른 양자 기기의 상세 구성을 도시한다. 편의상, 송신 기기를 제1 기기(100)로, 그리고 수신 기기를 제2 기기(200)로 지칭할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 전술된 바와 같이 그 역도 성립하고, 또한 송신/수신 기기로 동시에 동작할 수 있다. 한편, 제3 기기(300)는 제1 기기(100)와 제2 기기(200) 간의 양자 통신을 매개 및/또는 제어하는 기기일 수 있다.2 shows a detailed configuration of a quantum device according to the present invention. For convenience, the transmitting device may be referred to as the first device 100 and the receiving device may be referred to as the second device 200. However, the present invention is not limited thereto, and vice versa, as described above, can also operate simultaneously as a transmitting/receiving device. Meanwhile, the third device 300 may be a device that mediates and/or controls quantum communication between the first device 100 and the second device 200.

제1 기기(100)는 제어부(110), 인터페이스부(120) 및 메모리(130)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 기기(200)도 제어부(210), 인터페이스부(220) 및 메모리(230)를 포함한다. 여기서, 인터페이스부(120, 220)는 양자 채널을 통해 양자 데이터를 송수신하므로 양자 인터페이스부라고 지칭될 수 있다. 또한, 인터페이스부(120, 220)는 일부 제어 데이터 또는 관련된 정보를 일반 채널(classical channel)을 통해 송수신할 수 있으므로, 일반 인터페이스부로도 지칭될 수 있다. 즉, 인터페이스부(120, 220)는 물리적으로 구분된 양자 인터페이스부와 일반 인터페이스부를 구비하거나, 또는 논리적으로 구분된 양자 인터페이스부와 일반 인터페이스부를 구비할 수 있다.The first device 100 includes a control unit 110, an interface unit 120, and a memory 130. Similarly, the second device 200 also includes a control unit 210, an interface unit 220, and a memory 230. Here, since the interface units 120 and 220 transmit and receive quantum data through a quantum channel, it may be referred to as a quantum interface unit. In addition, since the interface units 120 and 220 may transmit and receive some control data or related information through a classic channel, it may also be referred to as a general interface unit. That is, the interface units 120 and 220 may include physically separated quantum interface units and general interface units, or logically divided quantum interface units and general interface units.

도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화 방법을 수행하는 송신 기기(100)의 구체적인 동작에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이와 관련하여, 양자 네트워크 동기화는 송신 기기(100) 또는 수신 기기(200)에 의해 수행될 수 있다. 또한, 양자 네트워크 동기화는 송신 기기(100) 또는 수신 기기(200)로부터의 정보에 기반하여 도 1의 양자 서버(500)에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이하에서는 편의상 송신 기기(100) 또는 수신 기기(200)에 의해 수행되는 것으로 설명하지만, 이에 한정되지 않고 양자 서버(500) 등 다른 엔티티에 의해 수행되는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. Referring to FIG. 2, a detailed operation of the transmitting device 100 performing the quantum network synchronization method according to the present invention will be described as follows. In this regard, quantum network synchronization may be performed by the transmitting device 100 or the receiving device 200. In addition, quantum network synchronization may be performed by the quantum server 500 of FIG. 1 based on information from the transmitting device 100 or the receiving device 200. Hereinafter, for convenience, it will be described as being performed by the transmitting device 100 or the receiving device 200, but is not limited thereto, and is performed by other entities such as the quantum server 500 is also included in the scope of the present invention.

인터페이스부(120)는 수신 기기인 제2 기기로부터 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 수신하도록 구성된다. 한편, 제어부(110)는 상기 동기화된 양자 시계를 이용하여 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행하도록 구성된다. 이와 관련하여, 제어부(110)는 주파수 동기화를 위하여 다음과 같은 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제어부(110)는 상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득한다. 또한, 제어부(110)는 상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시킬 수 있다.The interface unit 120 is configured to receive information about a synchronized quantum clock from a second device that is a receiving device. Meanwhile, the control unit 110 is configured to perform a clock network configuration for frequency synchronization using the synchronized quantum clock. In this regard, the control unit 110 may perform the following operations for frequency synchronization. That is, the control unit 110 obtains information on the state of N singlets shared between the first device and the second device. In addition, the controller 110 may change the singlet state by introducing a sinusoidal component of a bell basis to the singlet state.

또한, 제어부(110)는 상기 클록 네트워크에서 주파수 드리프트에 기인하는 비동기화(desynchronization)를 검출하도록 구성된다. 이와 관련하여, 제어부(110)는 비동기화 검출을 위하여 다음과 같은 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제어부(110)는 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)을 수행하고, 상기 벨 상태 측정에 기반하여 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제2 기기로 전송하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(110)는 상기 제2 기기로부터 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 수신하도록 제어할 수 있다.In addition, the control unit 110 is configured to detect desynchronization due to frequency drift in the clock network. In this regard, the controller 110 may perform the following operations for asynchronous detection. That is, the control unit 110 performs a bell state measurement for a photon and transmits information on polarization degrees of freedom (POL DOF) for the photon to the second device based on the measurement of the bell state. Can be controlled. Also, the control unit 110 may control to receive a result of a joint measurement of the POL DOF from the second device.

한편, 제어부(110)는 위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행할 수 있다. 이와 관련하여, 제어부(110)는 상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 검출과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우, 상기 클록 네트워크의 클록 레퍼런스를 재동기화할 수 있다. 구체적으로, 제어부(110)는 초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를

Figure 112018094391593-pat00009
에 의한 유니터리
Figure 112018094391593-pat00010
를 이용하여 변화(evolution)시킬 수 있다. 이때, 상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정될 수 있다. 이에 따라, 제어부(110)는 상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행할 수 있다.Meanwhile, the control unit 110 may perform frequency resynchronization through phase estimation. In this regard, the controller 110 resynchronizes the clock reference of the clock network when the frequency deviation due to the frequency drift exceeds an allowable range associated with the asynchronous detection based on the mutual measurement result. Can. Specifically, the control unit 110 photons in the hyperentangled state
Figure 112018094391593-pat00009
By unity
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It can be changed using (evolution). At this time, the change in SPA DOF due to the change may be determined by the frequency drift parameter (χ). Accordingly, the controller 110 may perform the phase prediction through the probability distribution of the frequency drift parameter (χ), and perform the frequency resynchronization based on the phase prediction.

한편, 메모리(130)는 양자 네트워크 동기화와 관련하여 양자 정보 또는 일반 정보를 저장하도록 구성된다.Meanwhile, the memory 130 is configured to store quantum information or general information in relation to quantum network synchronization.

한편, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화 방법을 수행하는 수신 기기(100)의 구체적인 동작에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이와 관련하여, 전술한 바와 같이 송신 기기(100)가 양자 네트워크 동기화를 수행할 수 있지만, 수신 기기(200)에 의해 수행되거나, 또는 송신 기기(100)와 수신 기기(200)가 협력하여 수행되는 것도 가능하다.Meanwhile, referring to FIG. 2, a detailed operation of the receiving device 100 performing the quantum network synchronization method according to the present invention will be described as follows. In this regard, as described above, the transmitting device 100 may perform quantum network synchronization, but is performed by the receiving device 200, or the transmitting device 100 and the receiving device 200 are cooperated. It is also possible.

인터페이스부(220)는 송신 기기인 제1 기기로 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 전송하도록 구성된다. 이때, 상기 동기화된 양자 시계를 이용하여 상기 제1 기기가 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행할 수 있다. The interface unit 220 is configured to transmit information about a synchronized quantum clock to a first device that is a transmitting device. At this time, the first device may perform a clock network configuration for frequency synchronization using the synchronized quantum clock.

한편, 수신 기기 기반 양자 동기화 수행과 관련하여 다음과 같은 동작을 수행할 수 있다. 이와 관련하여, 제어부(210)는 상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득할 수 있다. 또한 제어부(210)는 상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시킬 수 있다.Meanwhile, the following operations may be performed in relation to performing the quantum synchronization based on the receiving device. In this regard, the control unit 210 may obtain information regarding the state of N singlets shared between the first device and the second device. In addition, the controller 210 may change the singlet state by introducing a sinusoidal component of a bell basis to the singlet state.

한편, 제어부(210)는 상기 클록 네트워크에서 클록 큐빗의 주파수 드리프트를 검출하여 비동기화(desynchronization)를 예측하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 제어부(210)는 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)에 기반하는 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제1 기기로부터 수신하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(210)는 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 획득할 수 있다. 이때, 상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 예측과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 상기 주파수 재동기화가 수행될 수 있다.Meanwhile, the control unit 210 may be configured to detect frequency drift of a clock qubit in the clock network to predict desynchronization. In this regard, the controller 210 may control to receive information on polarization degrees of freedom (POL DOF) for a photon based on a bell state measurement for the photon from the first device. In addition, the control unit 210 may obtain a joint measurement result for the POL DOF. In this case, if the frequency deviation due to the frequency drift exceeds the allowable range associated with the asynchronous prediction based on the mutual measurement result, the frequency resynchronization may be performed.

한편, 제어부(210)는 위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행할 수 있다. 구체적으로, 제어부(210)는 초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를

Figure 112018094391593-pat00011
에 의한 유니터리
Figure 112018094391593-pat00012
를 이용하여 변화(evolution)시킬 수 있다. 이때, 상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 제어부(210)는 상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행할 수 있다.Meanwhile, the controller 210 may perform frequency resynchronization through phase estimation. Specifically, the controller 210 photons in a hyperentangled state
Figure 112018094391593-pat00011
By unity
Figure 112018094391593-pat00012
It can be changed using (evolution). At this time, the change in SPA DOF due to the change may be determined by the frequency drift parameter (χ). In addition, the control unit 210 may perform the phase prediction through probability distribution of the frequency drift parameter (χ), and perform the frequency resynchronization based on the phase prediction.

한편, 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화 방법과 관련하여, 예비 사항(preliminaries)에 대해 살펴보면 다음과 같다. 양자 시스템의 자연적 변화는 양자 시스템의 고유 상태에 의해 지배된다. 큐빗에 대해, |0>은 낮은 에너지 고유 상태(lower energy eigen state) E1을 나타내는데 비해, |1>은 높은 여기 상태(excited state) E2를 나타낸다. 이러한 형태의 자연적 hamiltonian은 아래의 수학식 1에 의해 표현된다.On the other hand, with respect to the quantum network synchronization method according to the present invention, look at the preliminaries (preliminaries) as follows. The natural change of the quantum system is dominated by the natural state of the quantum system. For the qubit, |0> represents the lower energy eigen state E 1 , while |1> represents the high excited state E 2 . This type of natural hamiltonian is expressed by Equation 1 below.

Figure 112018094391593-pat00013
Figure 112018094391593-pat00013

이러한 hamiltonian에 대한 유니터리 변화는

Figure 112018094391593-pat00014
로 표현된다. 따라서, 에너지 고유 상태의 큐빗(|0>,|1>)은 비-변화(non-evolving)하지만, 두 개의 상태의 중첩으로 존재한다면, 이는 자연적 hamiltonian M 하에서 변화한다. 하지만, 얽힘 상태, 예컨대 싱글릿(|ψ′>)은 자신의 변화에 대한 각각의 로컬 입자에 대해 작용하는 hamiltonian에 달려있다. 자연적 hamiltonian은 예를 들어 수학식 2와 같은 외부(external) hamiltonian으로 대체될 수 있다.The unity change for this hamiltonian
Figure 112018094391593-pat00014
It is expressed as Thus, the cubits (|0>,|1>) in the energy-intrinsic state are non-evolving, but if they exist as a superposition of two states, they change under natural hamiltonian M. However, the entangled state, eg singlet (|ψ′>), depends on the hamiltonian acting on each local particle for its change. Natural hamiltonian can be replaced with an external hamiltonian, for example, in Equation 2.

Figure 112018094391593-pat00015
Figure 112018094391593-pat00015

여기서, Ω는 상태들 간의 Rabi 플로핑(flopping)의 Rabi 주파수이다. 이러한 방식으로, 본 발명에서는 양자 시스템의 변화를 제어할 수 있다. 자연적 hamiltonian을 외부 hamiltonian H으로 대체하기 위해, 내부 hamiltonian M을 상쇄(cancels out)하는 회전 프레임 픽쳐를 이용할 수 있다. 회전 프레임은 자연적 hamiltonian에 의해 생성되는 유니터리 변화에 대응하는 유니터리를 생성한다. 회전 프레임은 아래의 수학식 3과 같이 U0(t)를 상쇄하는 R로 표현되는 유니터리 변화를 발생시켜 시스템에 영향을 미쳐야 한다. Here, Ω is the Rabi frequency of Rabi flopping between states. In this way, the present invention can control changes in the quantum system. To replace the natural hamiltonian with the outer hamiltonian H, a rotating frame picture cancels out the inner hamiltonian M can be used. The rotating frame creates a unity that corresponds to the unitary change produced by the natural hamiltonian. The rotation frame must affect the system by generating a unitary change represented by R that cancels U 0 (t) as shown in Equation 3 below.

Figure 112018094391593-pat00016
Figure 112018094391593-pat00016

총 hamiltonian (자연적 + 외부) = M+H를 고려하면, 본 발명에서는 아래의 수학식 4와 같은 방정식을 해결하여 회전 프레임 hamiltonian을 획득할 수 있다.Considering the total hamiltonian (natural + external) = M+H, in the present invention, it is possible to obtain a rotating frame hamiltonian by solving an equation such as Equation 4 below.

Figure 112018094391593-pat00017
Figure 112018094391593-pat00017

내부 및 외부 hamiltonian 하에서 변화 상태에 해당하는 현재 상태의 시간 미분을 고려하고, 곱의 미분 법칙을 이용하여, 아래의 수학식 5와 같은 형태를 얻을 수 있다.Under the internal and external hamiltonian, considering the time derivative of the current state corresponding to the changing state, and using the derivative law of multiplication, the following Equation 5 can be obtained.

Figure 112018094391593-pat00018
Figure 112018094391593-pat00018

이는 내부 hamiltonian의 효과를 상쇄하는 Hr = R(t)HR(t)를 유도한다. 따라서, 근원적인 양자 시스템은 이제 외부 hamiltonian H 하에서만 단지 변화하게 된다.This leads to Hr = R(t)HR (t), which counteracts the effect of internal hamiltonian. Thus, the underlying quantum system now only changes under the external hamiltonian H.

주파수 동기화 네트워크 구성(Frequency Synchronization Network Configuration)Frequency Synchronization Network Configuration

초얽힘 상태(hyperentangled states)의 생성에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 3은 본 발명에 다른 클록 네트워크의 아키텍쳐를 나타낸다. 각 클록은 수학식 3과 같은 hamiltonian 하에서 변화하는 큐빗을 갖는다. 클록을 따라, POL 및 SPA DOF의 초얽힘이 비동기 검출 및 파라미터 예측을 위해 활용된다. 초얽힘 광자의 POL DOF의 n 싱글릿 상태는 클록 큐빗과 같은 동일한 Hamiltonian 하에서 변화한다. 이러한 싱글릿은 주파수 드리프트 검출 블록의 근간을 형성한다. 클록의 비동기화가 검출된 이후에, 초얽힘 상태가 하이젠베르그 제한 파라미터 예측에 대해 역할을 수행하게 된다. The creation of hyperentangled states is as follows. In this regard, Figure 3 shows the architecture of a clock network according to the invention. Each clock has a qubit that changes under a hamiltonian like Equation 3. Along the clock, super-entanglement of POL and SPA DOF is utilized for asynchronous detection and parameter prediction. The n singlet state of the super-entangled photon's POL DOF changes under the same Hamiltonian as a clock qubit. These singlets form the basis of the frequency drift detection block. After the clock asynchronous is detected, the hyperentangled state plays a role in Heisenberg limit parameter prediction.

한편, 본 발명에 따른 초얽힘 상태의 생성에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이와 관련하여, 직교하게 배치된(othogonally oriented) 한 쌍의 타입-II 위상 정합 β-Barium Borate 크리스탈을 펌핑하여, POL DOF로 얽힌 2개의 저 에너지 광자를 수신할 수 있다. 단지 j =±1 궤도 각 운동량(OAM:orbital angular momentum) 모드를 선택하여, POL 및 공간 DOF로 최대 얽힌 광자 상태가 아래의 수학식 6과 같이 생성될 수 있다.On the other hand, looking at the creation of the super-entangled state according to the present invention. In this regard, a pair of orthogonally oriented type-II phase matched β-Barium Borate crystals can be pumped to receive two low energy photons entangled with POL DOF. By simply selecting the j =±1 orbital angular momentum (OAM) mode, a photon state entangled with POL and spatial DOF can be generated as shown in Equation 6 below.

Figure 112018094391593-pat00019
Figure 112018094391593-pat00019

따라서 POL DOF의 싱글릿이 재동기화 프로토콜을 위하여 사용될 것이고, 반면에 수학식 6의 상태는 파라미터 예측의 근간을 형성할 것이다. 2개의 공간적으로 이격된 입자가 동일한 유니터리 변화(unitary evolution)하에 있다면 싱글릿 상태는 변화되지 않는다. 이러한 시나리오 중 하나는 수학식 3과 같이 hamiltonian H에 의해 정의되는 유니터리이다. 이러한 hamiltonian에 대하여, t = π /Ω 듀레이션 동안에 유지되는 레이저 펄스는 아래의 수학식 7로 유도된다.Therefore, the singlet of the POL DOF will be used for the resynchronization protocol, while the state of Equation 6 will form the basis of parameter prediction. If the two spatially spaced particles are under the same unitary evolution, the singlet state does not change. One of these scenarios is a unity defined by hamiltonian H as in Equation 3. For this hamiltonian, the laser pulse maintained during t = π /Ω duration is derived by Equation 7 below.

Figure 112018094391593-pat00020
Figure 112018094391593-pat00020

그러나 이분 양자 시스템이 싱글릿이 아니라면 일반적으로 이러한 경우에 해당하지 않는다. 도 3은 본 발명에 다른 네트워크 구성을 나타낸다. 네트워크는 광자와 연관된 복수의 자유도(DOF:degrees of freedom)을 이용한다. 편광(POL:Polarization) DOF는 양자 시계(quantum clock)를 포함하고, 반면에 궤도 각 운동량(POL) DOF는 비동기화 검출을 위한 두 대상 (예컨대, Alice 및 Bob) 간에 공유된 N 싱글릿 상태를 포함한다. 두 개의 DOF의 양자 시스템은 동일한 유니터리 하에서 동시에 변화되도록 이루어진다. 이러한 프로토콜 목적을 위해, 본 발명에서는 수학식 8과 같이 양 당사자의 클롯 큐빗이 hamiltonian 하에서 변하는 것을 고려한다.However, this is generally not the case if binary quantum systems are not singlets. 3 shows another network configuration according to the present invention. The network uses multiple degrees of freedom (DOF) associated with photons. Polarization (POL) DOF includes a quantum clock, while Orbital Angular Momentum (POL) DOF is a state of N singlet shared between two targets (eg Alice and Bob) for asynchronous detection. Includes. The quantum systems of the two DOFs are made to change simultaneously under the same unity. For the purpose of this protocol, the present invention considers that both sides' clot qubits change under hamiltonian as in Equation 8.

Figure 112018094391593-pat00021
Figure 112018094391593-pat00021

여기서 χ는 원래 주파수 Ω에서의 주파수 드리프트이다. χ= 1에 대해, 이러한 hamiltonian은 수학식 2와 같은 형태를 갖는다. 따라서, Rabi 주파수 드리프트가 없는 경우, POL DOF의 싱글릿은 변화되지 않을 것이다. 로컬 레이저에서 Rabi 주파수의 래그(lag)/리드(lead)χ가 존재하자 마자, 그 대상에서의 큐빗에 대한 유니터리 변화는 아래의 수학식 9와 같다.Where χ is the frequency drift at the original frequency Ω. For χ=1, this hamiltonian has the form of Equation 2. Therefore, in the absence of Rabi frequency drift, the singlet of the POL DOF will not change. As soon as the lag/leadχ of the Rabi frequency is present in the local laser, the unitary change for the qubit in the target is as shown in Equation 9 below.

Figure 112018094391593-pat00022
Figure 112018094391593-pat00022

한편, 도 4는 본 발명에 따른 편이(deviation)에 따른 변화된 상태의 유사도를 나타내는 확률 Pb 를 도시한다. 여기서, 확률 Pb는 내적을 통해 싱글릿 상태를 이용하여 변화된 상태의 유사도를 나타낸다. 파란 색 커브는 로컬 주파수 래그(lag)/리드(lead) χ를 경험하는 동안 확률 Pb의 감소를 나타낸다. χ = 1.1에 대하여, 붉은 점과 선으로 표시된 확률 Pb는 유니터리 변화하에서 총 편이에 대응한다. 여기서, χ = 1.1에 대한 두 개의 싱글릿 상태의 유니터리 변화는 χ = 0.2하에서 단일 변화와 동일한 확률 효과를 갖는다. On the other hand, Figure 4 shows the probability P b showing the similarity of the changed state according to the deviation (deviation) according to the present invention. Here, the probability P b represents the similarity of the changed state using the singlet state through the dot product. The blue curve represents the decrease in probability P b while experiencing local frequency lag/lead χ. For χ = 1.1, the probability P b represented by the red dot and line corresponds to the total deviation under unitary change. Here, the unitary change of two singlet states for χ = 1.1 has the same probability effect as the single change under χ = 0.2.

주파수 드리프트와 관련하여, Alice 측에서 총 주파수 Ω′ = χ Ω가 되는 주파수 드리프트 χ를 고려하면, 이러한 변화는 아래의 수학식 10과 같은 벨 기저의 정현파 성분을 도입하여 싱글릿 상태를 변화시켜 표현 가능하다.Regarding the frequency drift, considering the frequency drift χ in which Alice has a total frequency Ω′ = χ Ω, this change is expressed by changing the singlet state by introducing a bell-based sinusoidal component as shown in Equation 10 below. It is possible.

Figure 112018094391593-pat00023
Figure 112018094391593-pat00023

t = t2 에서 레이저 펄스 유도 변화는 아래의 수학식 11의 상태를 유도한다.The laser pulse induced change at t = t 2 leads to the state of Equation 11 below.

Figure 112018094391593-pat00024
Figure 112018094391593-pat00024

이제, 주파수 드리프트 χ 대신에, 아래의 수학식 12와 같은 상태를 유도하는 드리프트 2χ를 고려할 수 있다.Now, instead of the frequency drift χ, it is possible to consider the drift 2χ which leads to the state as in Equation 12 below.

Figure 112018094391593-pat00025
Figure 112018094391593-pat00025

비동기화의 검출(Detection of desynchronization)Detection of desynchronization

주파수 드리프트에 기인하는 클록 네트워크의 비동기화를 검출 및 예측하기 위해, 본 발명에서는 이러한 프토콜의 코어 목적의 하나를 충족시키는 포지티브-연산자 값 측정 (POVM:positive-operator valued measure)를 고려한다. 즉, 동일한 POVM은 하이젠베르그 스케일링(Heisenberg scaling)을 갖는 주파수 드리프트를 예측하기 위한 최적 측정 방식을 제공할 뿐만 아니라, 동기화 검출을 위해 사용될 수 있다. In order to detect and predict the asynchronousness of the clock network due to frequency drift, the present invention contemplates a positive-operator valued measure (POVM) that meets one of the core objectives of this protocol. That is, the same POVM not only provides an optimal measurement method for predicting frequency drift with Heisenberg scaling, but can also be used for synchronization detection.

이러한 목적을 위해, 본 발명에서는 아래의 수학식 13과 같이 주어지는 프로젝티브 측정(projective measurement) 기반 POVM을 고려할 수 있다.For this purpose, in the present invention, a POVM based on a projective measurement given as Equation 13 below may be considered.

Figure 112018094391593-pat00026
Figure 112018094391593-pat00026

유효한 POVM의 조건을 만족시키는 위에서 주어지는 이러한 세트의 측정 벡터는 다음과 같은 특징을 갖는다.The set of measurement vectors given above that satisfy the valid POVM conditions have the following characteristics:

- Ai =|μi> <μi|와 같이 획득되는 측정 연산자는 Hermitian이고 포지티브 반-정의가능(positive semi-defnite)한다.-The measurement operator obtained as A i =|μ i ><μ i | is Hermitian and is positive semi-defnite.

- ∑iAi = IH 이다.-∑ i A i = I H.

수학식 12의 결합 측정(joint meaurement) POVM을 적용하기 위해, Alice의 POL DOF를 Bob 측 기기로 모든 상태를 양자전송(teleport)할 수 있다. 이를 위해, 본 발명에서는 SPA DOF를 이용할 수 있다. SPA로 공유된 EPR을 가정하면 아래의 수학식 14와 같은 형태를 갖는다.To apply the joint meaurement POVM of Equation 12, Alice's POL DOF can be teleported to all states to the Bob side device. To this end, the SPA DOF can be used in the present invention. Assuming EPR shared by SPA, it has the form of Equation 14 below.

Figure 112018094391593-pat00027
Figure 112018094391593-pat00027

Alice측 기기에서 벨 상태 측정을 이용하고, 각 큐빗에 대해 2 비트 일반 결과를 전송하여, 아래의 수학식 15와 같은 상태를 달성할 수 있다.By using the bell state measurement on the Alice side device and transmitting a 2-bit general result for each qubit, a state as in Equation 15 below can be achieved.

Figure 112018094391593-pat00028
Figure 112018094391593-pat00028

POL DOF의 전체 상태를 획득하기 위해, 본 발명에서는 아래의 수학식 16과 같이 Bob 측 기기에서 보조 광자의 POL DOF의 더미 큐빗을 이용하여 SPA DOF의 큐빗을 교환(swap)할 수 있다.In order to obtain the overall state of the POL DOF, in the present invention, the bobbit of the SPA DOF can be swapped using the dummy qubit of the POL DOF of the secondary photon in the Bob side device as shown in Equation 16 below.

Figure 112018094391593-pat00029
Figure 112018094391593-pat00029

교환 동작을 적용하여, 아래의 수학식 17과 같은 결과를 얻을 수 있다.By applying the exchange operation, the result as shown in Equation 17 below can be obtained.

Figure 112018094391593-pat00030
Figure 112018094391593-pat00030

이는 수학식 18과 같이 해당 상태에서 POL DOF의 결합 측정을 위한 모든 큐빗을 유도한다.This derives all qubits for the combined measurement of POL DOF in the state as in Equation 18.

Figure 112018094391593-pat00031
Figure 112018094391593-pat00031

이러한 특정 POVM은 하이젠베르그 스케일링된 파라미터 예측을 제공하기 위한 기저로서 동작할 뿐만 아니라, 수학식 10 및 11에 대한 동일한 확률 분포를 제공한다.This particular POVM not only acts as a basis for providing Heisenberg scaled parameter prediction, but also provides the same probability distribution for equations 10 and 11.

따라서, 수학식 12의 POVM에 대해, 수학식 9의 상태에 관한 드리프트 χ를 갖는 U' ⓧ U의 n 후속 적용n subsequent application)은 드리프트 nχ를 갖는 단일 유니터리 적용과 동일한 확률 분포를 제공하는 상태를 유도할 것이다. 이러한 드리프트는 비동기화를 검출하는 것을 가이드하는 U ⓧ U의 경우와 달리 싱글릿 상태 변화를 유도할 것이다.Therefore, for the POVM of Equation 12, n'subsequent application of U'ⓧ U with drift χ with respect to the state of Equation 9, n subsequent applications) provides the same probability distribution as a single unitary application with drift nχ. Will induce This drift will induce a singlet state change, unlike the case of U ⓧ U, which guides in detecting asynchronousness.

일단 POL DOF가 더 이상 싱글릿이 아니면, 본 발명에서는 상기 편이가 측정 시에 도 4에서와 같은 비동기화 검출을 위한 허용가능 인터벌을 넘어서면, 클록 레퍼런스를 재동기화할 필요가 있다. 그렇지 않다면, 본 발명에서는 유니터리 적용과 함께 수행되는 일련의 POVM을 구현함에도 불구하고, U′ⓧ U의 후속 적용이 허용가능한 인터벌을 넘어서는 상태를 유도할 때까지 대기한다. 주파수 편이에 대한 허용가능한 인터벌은 변화된 상태와 싱글릿 간의 정확한 구별을 위한 달성가능한 확률에 의해 제한(bound)된다. 비동기화가 없는 경우, 본 발명에서는 비-변화 싱글릿 상태를 갖는다. 측정을 위한 임의의 POVM 적용에 관하여, 싱글릿 상태는 항상 동일한 확률 분포를 갖게 될 것이다. 싱글릿 상태인 측정 벡터 |μi>에 대하여, 연관된 확률은 아래의 수학식 19와 같이 표현되고, 이는 다른 측정 벡터들이 이에 직교하기 때문에 싱글릿 상태에 대해 항상 1이다. Once the POL DOF is no longer a singlet, in the present invention, the clock reference needs to be resynchronized if the deviation exceeds the allowable interval for asynchronous detection as in Figure 4 at the time of measurement. If not, in the present invention, despite implementing a series of POVMs performed with unitary application, it waits until subsequent application of U'ⓧ U leads to a state beyond an allowable interval. The allowable interval for frequency shift is bounded by the changeable state and achievable probability for precise discrimination between singlets. In the absence of asynchronous, the present invention has a non-changing singlet state. With respect to any POVM application for measurement, the singlet state will always have the same probability distribution. For the measurement vector |μi> in the singlet state, the associated probability is expressed as Equation 19 below, which is always 1 for the singlet state because the other measurement vectors are orthogonal thereto.

Figure 112018094391593-pat00032
Figure 112018094391593-pat00032

그러나, 주파수 드리프트에 의해 모든 당사자의 POL DOF의 N 싱글릿이 변화하기 시작하는 경우, 주어진 POVM에 대한 t =t1 및 t =t2의 두 개의 연속적인 측정의 확률 분포는 상이할 것이다.However, if the N singlet of the POL DOF of all parties starts to change by frequency drift, the probability distribution of two successive measurements of t = t 1 and t = t 2 for a given POVM will be different.

특정 측정 결과를 획득하는 확률은 연관된 후 측정 상태(post measurement state)를 획득하는 횟수에 의해 비례하도록 제시된다. 일 예시로서, 본 발명에서는 χ = 0.75에 의해 표현되는 원래 주파수의 3/4만큼의 주파수 감소(drop)의 경우를 고려한다. 또한, t =t1 및 t =t2에서 각각 수학식 9 및 10과 같은 형태의 N분 상태 (N bipartite states)의 두 개의 앙상블을 고려한다. POVM을 이용하면, 아래의 |ψt1>|μ1> = 0.8536 및 |ψt2>| μ1 > = 0.5의 결과를 얻을 수 있다. 이는 싱글릿 상태에 대한 U′ⓧ U 하에서 후속하는 변화 이후에 확률이 감소(drop)되도록 하고, 주어진 POVM은 주파수 드리프틀 검출하기 위해 사용된다.The probability of obtaining a specific measurement result is presented to be proportional to the number of times that the associated post measurement state is obtained. As an example, the present invention considers the case of a frequency drop by 3/4 of the original frequency expressed by χ = 0.75. In addition, two ensembles of N bipartite states in the form of Equations 9 and 10 are considered at t = t 1 and t = t 2 , respectively. Using POVM, |ψ t1 >|μ1> = 0.8536 and |ψ t2 > | You can get a result of μ1 > = 0.5. This allows the probability to drop after a subsequent change under U′ⓧ U for a singlet state, and a given POVM is used to detect the frequency drift.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 싱글릿 상태에서의 주파수 편이 효과를 나타내는 개념도이다. Alice 측에서의 주파수 편이는 유니터리 U′ⓧ U 하에서 싱글릿 상태의 변화를 유도한다. 상한 편이 한계(upper bound deviation limit)는 주파수 컷-오프에 의해 설정되고, 싱글릿 상태의 변화는 상태

Figure 112018094391593-pat00033
를 유도한다.On the other hand, Figure 5 is a conceptual diagram showing the frequency shift effect in a singlet state according to the present invention. The frequency shift on the Alice side induces a change in the singlet state under the unitary U'ⓧ U. The upper bound deviation limit is set by the frequency cut-off, and the change in the singlet state is the state.
Figure 112018094391593-pat00033
Induces

한편, 도 6은 본 발명에 따른 Alice 측에서 Bob 측으로의 N-큐빗의 POL의 양자전송을 나타낸다.On the other hand, Figure 6 shows the quantum transmission of the POL of the N-Qubit from Alice side to Bob side according to the present invention.

위상 예측을 통한 주파수 재동기화 (Frequency Resynchronization via Phase Estimation)Frequency Resynchronization via Phase Estimation

주파수 드리프트에 기인하는 네트워크의 비동기화를 예측하기 위해, 본 발명에서는 이러한 프로토콜의 코어 목적 중 하나를 만족시키는 포지티브-연산자 값 측정(POVM: positive-operator valued measure)를 고려한다; 즉, 이는 하이젠베르그 스케일링을 갖는 주파수 드리프트를 예측하기 위한 최적 측정 방식을 제공한다. 이러한 종류의 측정 연산자에 대해, 일반 Fisher 정보(CFI: classical Fisher information)는 양자 Fisher 정보(QFI: quantum Fisher information)와 동일하다. 아래의 수학식 20과 같은 상한을 이용하여, 일반 Fisher 정보는 예측된 드리프트 χ의 분산(variance)과 관련된다.In order to predict the network asynchronous due to frequency drift, the present invention considers a positive-operator valued measure (POVM) that satisfies one of the core objectives of this protocol; In other words, it provides an optimal measurement method for predicting frequency drift with Heisenberg scaling. For this kind of measurement operator, the classical Fisher information (CFI) is the same as the quantum Fisher information (QFI). Using the upper bound as in Equation 20 below, general Fisher information relates to the variance of the predicted drift χ.

Figure 112018094391593-pat00034
Figure 112018094391593-pat00034

n 카피의 프로브 상태에 대해, 최적 측정 연산자에 대하여 획득된 양자 상한(quantum bound)은 아래의 수학식 21로 표현된다.For the probe state of n copies, the quantum bound obtained for the optimal measurement operator is expressed by Equation 21 below.

Figure 112018094391593-pat00035
Figure 112018094391593-pat00035

여기서, 부등호는 양자 Fisher 정보 F의 부가 특성(additive property)에 기인한다. 그러나, 싱글릿 상태와 연관된 양자 이점(quantum advantage)을 이용하여, 양자 Fisher 정보는 사용된 프로트 상태의 카피 수의 제곱으로 스케일링될 수 있다. 이러한 이점은 하이젠베르그 스케일링을 유도한다. 여기서, N 당사자 간 최대 얽힘 상태의 경우에, 파라미터 예측의 변동은 아래의 수학식 22와 같이 스케일링 (한정)된다.Here, the inequality sign is due to the additive property of the quantum Fisher information F. However, using the quantum advantage associated with the singlet state, the quantum Fisher information can be scaled to the square of the number of copies of the used prote state. This advantage leads to Heisenberg scaling. Here, in the case of maximum entanglement between N parties, the variation of parameter prediction is scaled (limited) as in Equation 22 below.

Figure 112018094391593-pat00036
Figure 112018094391593-pat00036

이러한 경우에 대한 양자 Fisher 정보가 획득될 수 있으며, 여기서 프로브 상태는 순수 스핀 싱글릿이고, 아래의 수학식 23과 같이 표현된다.Quantum Fisher information for this case can be obtained, where the probe state is a pure spin singlet and is expressed as Equation 23 below.

Figure 112018094391593-pat00037
Figure 112018094391593-pat00037

스핀(spin)-1/2 벨 상태에 대한 로컬 측정은 하이젠베르그 대신에 스케일링이 제한된 샷 노이즈(shot noise)를 제공한다. 따라서, 본 발명에서는 최대 정확도를 달성하기 위한 결합 측정을 필요로 한다. 재동기화를 비동기화 검출 및 파라미터 예측과 구별하는 이점은 (싱글릿에서 모든 입자들이 파라미터를 인코딩하는 유니터리를 경험하기 때문에) 모든 2n 입자들이 파라미터 예측을 위해 사용될 수 있다는 것이다. 이에 따라 단일 2-큐빗 상태에 대해 최대 Fisher 정보는 Fmax = 4로 증가한다.Local measurements of spin-1/2 bell states provide shot noise with limited scaling instead of Heisenberg. Therefore, the present invention requires a combined measurement to achieve maximum accuracy. The advantage of distinguishing resynchronization from asynchronous detection and parameter prediction is that all 2n particles can be used for parameter prediction (because all particles in the singlet experience the unity encoding the parameters). Accordingly, for a single 2-cubit state, the maximum Fisher information increases to F max = 4.

본 발명에서는 도 7에 도시된 바와 같은 전형적인 계측 시나리오(metrology scenario )에서 프로브 싱글릿 상태 및 유니터리 연산 U" ⓧ U" 을 고려한다. 즉, 도 7은 본 발명에 따른 주파수 편이 예측의 간섭 유추(interferometric analogy)에 대한 개념도를 나타낸다. 수학식 2에서 표현된 hamiltonian H는 σx에 선형적으로 변화함에 따라 주파수 드리프트 χ와 관련된다.In the present invention, the probe singlet state and unitary operation U" ⓧ U" are considered in a typical metrology scenario as shown in FIG. 7. That is, FIG. 7 shows a conceptual diagram for interferometric analogy of frequency shift prediction according to the present invention. The hamiltonian H expressed in equation (2) is related to the frequency drift χ as the linear change in σ x.

도 7을 참조하면, 본 발명에서 논의되는 측정 방식은 수학식 12의 POVM을 이용하여 측정을 수행할 수 있다. 아이디어 그 자체는 U 형태의 개방 시스템 변화하에서 환경과 얽힐 수 있는 시스템이 상이한 광자 자유도로 존재할 수 있는 측정 셋업을 갖는 얽힌 양자 시스템과 관련된 약한 측정(weak measurement)의 세부 사항을 제공한다는 아이디어에 기반한다. Referring to FIG. 7, a measurement method discussed in the present invention may perform measurement using POVM of Equation (12). The idea itself is based on the idea that a system entangled with the environment under a U-shaped open system change provides details of weak measurements related to a entangled quantum system with a measurement setup that can exist with different photon degrees of freedom. .

결과적인 상태는 양자 시스템 DOF의 측정에 의해 추적되고, 자신의 양자 Fisher 정보와 동일한 일반 Fisher 정보를 제공하는 확률 분포를 달성한다. 이러한 아이디어의 확장은 초얽힘(hyperentangled) DOF 간에 상호 작용에 해당하고, 여기서 POL DOF는 SPA DOF의 상태의 변화를 제어한다. 초얽힘 상태의 모든 광자는 다중 DOF 양자전송을 이용하여 Alice 측에 존재할 수 있고 아래의 수학식 24와 같은 유니터리 변화 U" ⓧ U" 하에서 변화한다.The resulting state is tracked by measurements of the quantum system DOF, achieving a probability distribution that provides general Fisher information equal to its quantum Fisher information. The extension of this idea corresponds to the interaction between hyperentangled DOFs, where the POL DOF controls the change in the state of the SPA DOF. All photons in the super-entangled state can exist on the Alice side using multiple DOF quantum transmissions and change under the unitary change U" ⓧ U" as shown in Equation 24 below.

Figure 112018094391593-pat00038
Figure 112018094391593-pat00038

여기서, H′은 POL DOF에 대해 측정가능한 반면에 x 는 SPA DOF에 대해 측정가능하다. g 는 두 개의 DOF의 커플링 세기인 반면에 H′은 주파수 드리프트 χ의 정보를 포함하고, t = π /Ω은 두 개의 DOF가 상호작용하는 총 듀레이션을 표시한다.Here, H'is measurable for POL DOF, while x is measurable for SPA DOF. g is the coupling strength of the two DOFs, while H'contains the information of the frequency drift χ, and t = π/Ω denotes the total duration that the two DOFs interact.

수학식 24의 결과는 하이브리드 얽힘 상태이고 SPA DOF의 변화는 파라미터 χ에 의해 지배된다. 최종적으로, 결과적인 상태의 POL DOF 부분에 관한 측정은 수학식 12의 POVM을 이용하여 측정된다. POVM을 통해, 본 발명에서는

Figure 112018094391593-pat00039
을 이용하여 SPA DOF의 결과 상태로부터 확률 분포를 획득할 수 있다. 이러한 확률 분포의 파라미터 χ에 대한 미분(derivative)은
Figure 112018094391593-pat00040
의 관계를 통해 QFI를 찾는데 도움이 되고, 본 발명에서 이 값은 16σ2이 된다. 두 개의 DOF 간에 상호작용의 세기 g의 알려진 값에 대하여, 본 발명에서 제시된 상한 관계를 이용하여 관련된 입자의 수의 제곱에 따른 파라미터의 변화를 예측할 수 있다. The result of Equation 24 is the hybrid entangled state and the change in SPA DOF is dominated by the parameter χ. Finally, the measurement for the POL DOF portion of the resulting state is measured using POVM in Equation (12). Through POVM, in the present invention
Figure 112018094391593-pat00039
Probability distribution can be obtained from the result state of SPA DOF using. The derivative of the probability distribution for the parameter χ is
Figure 112018094391593-pat00040
It helps to find the QFI through the relationship of, and in the present invention, this value is 16σ 2 . For a known value of the intensity g of the interaction between two DOFs, the upper bound relationship presented in the present invention can be used to predict the change in parameter with the square of the number of particles involved.

한편, 본 발명에서는 초얽힘 보조 계측(hyperentanglement assisted metrology)의 간섭 구현(interferometric implementation)을 제공한다. 이를 위해 본 발명에서는 POL DOF와 가우시안 분포를 갖는 공간적으로 얽힌 상태에서 동일한 편광을 갖는 입자와 함께 벨 상태를 이용하였다.On the other hand, the present invention provides an interferometric implementation of hyperentanglement assisted metrology. To this end, in the present invention, a bell state is used together with particles having the same polarization in a spatially entangled state having a POL DOF and a Gaussian distribution.

본 발명의 결과 및 효과에 대해 살펴보면 다음과 같다. 본 발명에서는 검출 및 예측 시나리오 모두에 대해 초얽힘 이분 상태(hyperentangled bipartite states)를 이용하였다. 이러한 시나리오는 준비에 있어서 용이함 및 잡음에 덜 민감하기 때문에 로컬 다분 얽힘(local multipartite entanglement)에 비해 이점을 갖는다. 파라미터 예측을 위하여 농의된 접근방식이 하이젠베르그 스케일링을 갖는 주파수 드리프트를 예측하기 위하여 동일한 POVM을 사용하기 때문에, 비동기화 검출에 대해 사용된 측정 셋업은 중요하다. Looking at the results and effects of the present invention are as follows. In the present invention, hyperentangled bipartite states were used for both detection and prediction scenarios. This scenario has an advantage over local multipartite entanglement because it is easier to prepare and less sensitive to noise. The measurement setup used for asynchronous detection is important because the decent approach for parameter prediction uses the same POVM to predict frequency drift with Heisenberg scaling.

이러한 프로토콜은 클록 네트워크의 정규 프로빙(regular probing)에 대하여 이용가능한 초얽힘 자원의 소모 및 일반 정보에 의존한다. 초얽힘 기반 정밀 주파수 제어는 폐루프 클록 비동기화 검출 및 재동기화 시스템을 달성하기 위한 약한 측정과 결합될 수 있고, 양자 네트워크에서 클록 정확성과 안정성을 달성할 수 있다.This protocol relies on the consumption of super-entangled resources and general information available for regular probing of the clock network. Ultra-entangled precision frequency Control can be combined with weak measurements to achieve closed loop clock asynchronous detection and resynchronization systems, and achieve clock accuracy and stability in quantum networks.

이상에서는 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화 방법을 수행하는 양자 기기와 이에 대한 원리에 대해 상세하게 살펴보았다. 이하에서는 본 발명의 다른 측면에 따른 양자 네트워크 동기화 방법에 대해 살펴보기로 한다.In the above, the quantum devices performing the quantum network synchronization method according to the present invention and the principles thereof have been described in detail. Hereinafter, a quantum network synchronization method according to another aspect of the present invention will be described.

이와 관련하여, 도 8은 본 발명에 따른 송신 기기인 제1 기기에 의해 수행되는 양자 네트워크 동기화 방법의 흐름도를 나타낸다. 한편, 도 9는 본 발명에 따른 수신 기기인 제2 기기에 의해 수행되는 양자 네트워크 동기화 방법의 흐름도를 나타낸다.In this regard, FIG. 8 shows a flowchart of a quantum network synchronization method performed by a first device that is a transmitting device according to the present invention. On the other hand, Figure 9 shows a flow diagram of a quantum network synchronization method performed by a second device that is a receiving device according to the present invention.

도 8을 참조하면, 송신 기기인 제1 기기에 의해 수행되는 양자 네트워크 동기화 방법은 주파수 동기화 구성 단계(S110), 비동기화 검출 단계(S120) 및 주파수 재동기화 단계(S130)를 포함한다.Referring to FIG. 8, a method for synchronizing quantum networks performed by a first device that is a transmitting device includes a frequency synchronization configuration step (S110), an asynchronous detection step (S120), and a frequency resynchronization step (S130).

주파수 동기화 구성 단계(S110)에서, 수신 기기인 제2 기기와 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)를 이용하여 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행한다. In the frequency synchronization configuration step (S110), a clock network configuration for frequency synchronization is performed by using a synchronized quantum clock synchronized with a second device that is a receiving device.

또한, 비동기화 검출 단계(S120)에서, 상기 클록 네트워크에서 주파수 드리프트에 기인하는 비동기화(desynchronization)를 검출한다. 구체적으로, 비동기화 검출 단계(S120)에서, 상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득한다. 이때, 상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시킬 수 있다.In addition, in the asynchronous detection step (S120 ), desynchronization due to frequency drift is detected in the clock network. Specifically, in the asynchronous detection step (S120 ), information regarding the state of N singlets shared between the first device and the second device is obtained. In this case, the singlet state may be changed by introducing a sinusoidal component having a bell-based to the singlet state.

한편, 비동기화 검출 단계(S120)에서, 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)을 수행할 수 있다. 또한, 상기 벨 상태 측정에 기반하여 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제2 기기로 전송할 수 있다. 또한, 상기 제2 기기로부터 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 수신할 수 있다. 한편, 상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 검출과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 주파수 재동기화 단계(S130)를 수행할 수 있다. Meanwhile, in the asynchronous detection step (S120 ), a bell state measurement on the photon may be performed. In addition, information on polarization degree of freedom (POL DOF) for photons may be transmitted to the second device based on the measurement of the bell state. In addition, a result of a joint measurement for the POL DOF may be received from the second device. Meanwhile, if the frequency deviation due to the frequency drift exceeds the allowable range associated with the asynchronous detection based on the mutual measurement result, a frequency resynchronization step (S130) may be performed.

이에 대응하여, 주파수 재동기화 단계(S130)에서, 위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행한다. 구체적으로, 주파수 재동기화 단계(S130)에서, 초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를

Figure 112018094391593-pat00041
에 의한 유니터리
Figure 112018094391593-pat00042
를 이용하여 변화(evolution)시킬 수 있다. 이때, 상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정될 수 있다. 이때, 상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행할 수 있다.Correspondingly, in the frequency resynchronization step (S130), frequency resynchronization is performed through phase estimation. Specifically, in the frequency resynchronization step (S130), photons in a hyperentangled state
Figure 112018094391593-pat00041
By unity
Figure 112018094391593-pat00042
It can be changed using (evolution). At this time, the change in SPA DOF due to the change may be determined by the frequency drift parameter (χ). In this case, the phase prediction may be performed through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ), and the frequency resynchronization may be performed based on the phase prediction.

도 9를 참조하면, 수신 기기인 제2 기기에 의해 수행되는 양자 네트워크 동기화 방법은 주파수 동기화 구성 단계(S210), 비동기화 검출 단계(S220) 및 주파수 재동기화 단계(S230)를 포함한다.Referring to FIG. 9, a method for synchronizing quantum networks performed by a second device that is a receiving device includes a frequency synchronization configuration step (S210), an asynchronous detection step (S220), and a frequency resynchronization step (S230).

주파수 동기화 구성 단계(S210)에서, 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 전송하여 송신 기기인 제1 기기와 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행한다. 구체적으로, 주파수 동기화 구성 단계(S210)에서, 상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득할 수 있다. 또한, 상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시킬 수 있다.In the frequency synchronization configuration step (S210 ), information on a synchronized quantum clock is transmitted to configure a clock network for frequency synchronization with a first device that is a transmitting device. Specifically, in the frequency synchronization configuration step (S210 ), information regarding the state of N singlets shared between the first device and the second device may be obtained. Further, the singlet state may be changed by introducing a sine wave component having a bell-based basis to the singlet state.

한편, 비동기화 검출 단계(S220)에서, 상기 클록 네트워크에서 클록 큐빗의 주파수 드리프트를 검출하여 비동기화(desynchronization)를 예측한다. 구체적으로, 비동기화 검출 단계(S220)에서, 광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)에 기반하는 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제1 기기로부터 수신할 수 있다. 또한, 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 획득할 수 있다. 또한, 상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 예측과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 주파수 재동기화 단계(S230)가 수행될 수 있다.Meanwhile, in the asynchronous detection step (S220 ), frequency drift of a clock qubit is detected in the clock network to predict desynchronization. Specifically, in the asynchronous detection step (S220 ), information on polarization degrees of freedom (POL DOF) for a photon based on a bell state measurement for a photon may be received from the first device. In addition, it is possible to obtain a result of the joint measurement (joint measurement) for the POL DOF. In addition, a frequency resynchronization step (S230) may be performed when the frequency deviation due to the frequency drift exceeds an allowable range associated with the asynchronous prediction based on the result of the mutual measurement.

한편, 주파수 재동기화 단계(S230)에서, 초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를

Figure 112018094391593-pat00043
에 의한 유니터리
Figure 112018094391593-pat00044
를 이용하여 변화(evolution)시킬 수 있다. 이때, 상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행할 수 있다.On the other hand, in the frequency resynchronization step (S230), the photon of the hyperentangled state (hyperentangled state)
Figure 112018094391593-pat00043
By unity
Figure 112018094391593-pat00044
It can be changed using (evolution). At this time, the change in SPA DOF due to the change may be determined by the frequency drift parameter (χ). Further, the phase prediction may be performed through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ), and the frequency resynchronization may be performed based on the phase prediction.

이상에서는 본 발명에 따른 양자 네트워크 동기화 방법을 수행하는 양자 시스템 및 양자 네트워크 동기화 방법에 대해 살펴보았다. 본 발명에 따른 효과와 활용 분야 및 기술사업화전망에 대해 살펴보면 다음과 같다.In the above, the quantum system and the quantum network synchronization method for performing the quantum network synchronization method according to the present invention have been described. Looking at the effect and application field and technology commercialization prospects according to the present invention are as follows.

본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 양자 네트워크(QN)에서 단일 광자의 다중 자유도(DOF: degrees of freedom)를 이용하여, 양자 시계 동기화의 정확성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.According to at least one embodiment of the present invention, by using multiple degrees of freedom (DOF) of a single photon in a quantum network (QN), there is an advantage that the accuracy of quantum clock synchronization can be improved.

또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 클록 동기화에서 궁극적인 양자 자원 한계를 달성하여, 양자 인터넷의 다른 장애를 제거하여 양자 네트워크를 현실화할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one embodiment of the present invention, by achieving the ultimate quantum resource limit in clock synchronization, there is an advantage that can realize the quantum network by removing other obstacles of the quantum Internet.

본 발명의 활용분야는 양자 네트워크를 이용하는 양자 컴퓨터와 통신 분야이고, 이러한 분야에서 네트워크가 적절히 동작하도록 분산된 노드 간에 매우 정확한 동기화를 필요로 한다.The field of application of the present invention is the field of quantum computers and communication using quantum networks, and in this field requires very accurate synchronization between distributed nodes so that the network operates properly.

본 발명의 기술사업화전망과 관련하여, 양자 암호화 통신 링크 구축에 활용될 수 있다. 이와 관련하여, 초얽힘(hyperentangled) 양자 통신 시스템(QCS: Quntum Communication System)은 네트워크 노드에서 클록의 동기화 정확성을 향상시켜 더 빠른 통신을 가능하게 한다. With regard to the technology commercialization prospects of the present invention, it can be used to establish a quantum cryptographic communication link. In this regard, a hyperentangled quantum communication system (QCS) improves the synchronization accuracy of clocks at network nodes, enabling faster communication.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들은 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.According to the software implementation, each component may be implemented as a separate software module as well as the procedures and functions described herein. Each of the software modules may perform one or more functions and operations described herein. Software code can be implemented in a software application written in an appropriate programming language. The software code is stored in a memory and can be executed by a controller or processor.

100: 제1 서브 시스템 200: 제2 서브 시스템
300: 양자 서버
110, 210: 제어부 120, 220: 인터페이스부
130, 230: 메모리
100: first subsystem 200: second subsystem
300: quantum server
110, 210: control unit 120, 220: interface unit
130, 230: memory

Claims (20)

양자 네트워크 동기화 방법에 있어서, 상기 방법은 송신 기기인 제1 기기에 의해 수행되고,
수신 기기인 제2 기기와 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)를 이용하여 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행하는 주파수 동기화 구성 단계;
상기 클록 네트워크에서 주파수 드리프트에 기인하는 비동기화(desynchronization)를 검출하는 비동기화 검출 단계; 및
위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행하는 주파수 재동기화 단계를 포함하고,
상기 비동기화 검출 단계는,
광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)을 수행하고,
상기 벨 상태 측정에 기반하여 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제2 기기로 전송하고,
상기 제2 기기로부터 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 수신하고,
상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 검출과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 상기 주파수 재동기화 단계를 수행하며,
상기 주파수 재동기화 단계는,
초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를
Figure 112020023217056-pat00062
에 의한 유니터리
Figure 112020023217056-pat00063
를 이용하여 변화(evolution)시키고, ― 여기서, H′은 POL DOF에 대해 측정가능하고, x 는 SPA DOF에 대해 측정가능하고, g 는 두 개의 DOF의 커플링 세기이고, H′은 주파수 드리프트 χ의 정보를 포함하고, t = π /Ω은 두 개의 DOF가 상호작용하는 총 듀레이션을 표시함 ―
상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정되고,
상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행하는, 양자 네트워크 동기화 방법.
In the quantum network synchronization method, the method is performed by a first device that is a transmitting device,
A frequency synchronization configuration step of performing a clock network configuration for frequency synchronization by using a synchronized quantum clock synchronized with a second device that is a receiving device;
An asynchronous detection step of detecting desynchronization due to frequency drift in the clock network; And
And a frequency resynchronization step of performing frequency resynchronization through phase estimation,
The asynchronous detection step,
Bell state measurement for photons is performed,
Transmits information on polarization degrees of freedom (POL DOF) for photons to the second device based on the measurement of the bell state,
Receiving a joint measurement (joint measurement) results for the POL DOF from the second device,
Performing the frequency resynchronization step when the frequency deviation due to the frequency drift exceeds an allowable range associated with the asynchronous detection based on the mutual measurement result,
The frequency resynchronization step,
Photons in hyperentangled state
Figure 112020023217056-pat00062
By unity
Figure 112020023217056-pat00063
Evolution using, where H′ is measurable for POL DOF, x is measurable for SPA DOF, g is the coupling strength of two DOFs, and H′ is frequency drift χ Information, and t = π /Ω denotes the total duration of interaction between two DOFs ―
The change in SPA DOF due to the change is determined by the frequency drift parameter (χ),
A method for synchronizing quantum networks, wherein the phase prediction is performed through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ) and the frequency resynchronization is performed based on the phase prediction.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 주파수 동기화 구성 단계는,
상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득하고,
상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시키는, 양자 네트워크 동기화 방법.
According to claim 1,
The frequency synchronization configuration step,
Acquire information about the N singlet (singlet) state shared between the first device and the second device,
A method for synchronizing quantum networks by introducing a sinusoidal component of a bell basis on the singlet state to evolve the singlet state.
삭제delete 삭제delete 양자 네트워크 동기화 방법을 수행하는 양자 송신 기기에 있어서,
수신 기기인 제2 기기로부터 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 수신하도록 구성된 인터페이스부; 및
상기 동기화된 양자 시계를 이용하여 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행하고, 상기 클록 네트워크에서 주파수 드리프트에 기인하는 비동기화(desynchronization)를 검출하도록 구성된 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)을 수행하고,
상기 벨 상태 측정에 기반하여 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제2 기기로 전송하도록 제어하고,
상기 제2 기기로부터 상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 수신하도록 제어하고,
상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 검출과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우, 상기 클록 네트워크의 클록 레퍼런스를 재동기화하며,
초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를
Figure 112020053709011-pat00064
에 의한 유니터리
Figure 112020053709011-pat00065
를 이용하여 변화(evolution)시키고 ― 여기서, H′은 POL DOF에 대해 측정가능하고, x 는 SPA DOF에 대해 측정가능하고, g 는 두 개의 DOF의 커플링 세기이고, H′은 주파수 드리프트 χ의 정보를 포함하고, t = π /Ω은 두 개의 DOF가 상호작용하는 총 듀레이션을 표시함 ―,
상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정되고,
상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 주파수 재동기화를 수행하는, 양자 송신 기기.
In the quantum transmission device for performing a quantum network synchronization method,
An interface unit configured to receive information on a synchronized quantum clock from a second device that is a receiving device; And
A controller configured to perform clock network configuration for frequency synchronization using the synchronized quantum clock, and to detect desynchronization due to frequency drift in the clock network,
The control unit,
Bell state measurement for photons is performed,
Based on the measurement of the bell state, control to transmit information about the polarization degree of freedom (POL DOF) for the photon to the second device,
Control to receive the result of the joint measurement (joint measurement) for the POL DOF from the second device,
Resynchronizing the clock reference of the clock network when the frequency deviation due to the frequency drift exceeds the allowable range associated with the asynchronous detection based on the mutual measurement result,
Photons in hyperentangled state
Figure 112020053709011-pat00064
By unity
Figure 112020053709011-pat00065
Evolution using-where H'is measurable for POL DOF, x is measurable for SPA DOF, g is the coupling strength of two DOFs, and H'is the frequency drift of χ Information, t = π /Ω indicates the total duration that the two DOFs interact with,
The change in SPA DOF due to the change is determined by the frequency drift parameter (χ),
A quantum transmission device that performs phase prediction through probability distribution on the frequency drift parameter (χ) and performs frequency resynchronization based on the phase prediction.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행하는, 양자 송신 기기.
The method of claim 6,
The control unit,
A quantum transmission device that performs frequency resynchronization through phase estimation.
제6 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 양자 송신 기기인 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득하고,
상기 싱글릿 상태에 벨-기저(bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시키는, 양자 송신 기기.
The method of claim 6,
The control unit,
Acquire information about the N singlet (singlet) state shared between the first device and the second device that is the quantum transmission device,
A quantum transmission device that introduces a bell-based sinusoidal component into the singlet state to evolve the singlet state.
삭제delete 삭제delete 양자 네트워크 동기화 방법에 있어서, 상기 방법은 수신 기기인 제2 기기에 의해 수행되고,
동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 전송하여 송신 기기인 제1 기기와 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행하는 주파수 동기화 구성 단계;
상기 클록 네트워크에서 클록 큐빗의 주파수 드리프트를 검출하여 비동기화(desynchronization)를 예측하는 비동기화 예측 단계; 및
위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행하는 주파수 재동기화 단계를 포함하고,
상기 비동기화 예측 단계는,
광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)에 기반하는 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제1 기기로부터 수신하고,
상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 획득하고,
상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 예측과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 상기 주파수 재동기화 단계가 수행되며,
상기 주파수 재동기화 단계는,
초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를
Figure 112020023217056-pat00066
에 의한 유니터리
Figure 112020023217056-pat00067
를 이용하여 변화(evolution)시키고 ― 여기서, H′은 POL DOF에 대해 측정가능하고, x 는 SPA DOF에 대해 측정가능하고, g 는 두 개의 DOF의 커플링 세기이고, H′은 주파수 드리프트 χ의 정보를 포함하고, t = π /Ω은 두 개의 DOF가 상호작용하는 총 듀레이션을 표시함 ―,
상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정되고,
상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행하는, 양자 네트워크 동기화 방법.
In the quantum network synchronization method, the method is performed by a second device that is a receiving device,
A frequency synchronization configuration step of transmitting information on a synchronized quantum clock to perform clock network configuration for frequency synchronization with a first device as a transmitting device;
An asynchronous prediction step of detecting a frequency drift of a clock qubit in the clock network to predict desynchronization; And
And a frequency resynchronization step of performing frequency resynchronization through phase estimation,
The asynchronous prediction step,
Receiving information about polarization degrees of freedom (POL DOF) for photons based on Bell state measurement for photons from the first device,
Acquire the joint measurement (joint measurement) results for the POL DOF,
When the frequency deviation due to the frequency drift exceeds the allowable range associated with the asynchronous prediction based on the mutual measurement result, the frequency resynchronization step is performed,
The frequency resynchronization step,
Photons in hyperentangled state
Figure 112020023217056-pat00066
By unity
Figure 112020023217056-pat00067
Evolution using-where H'is measurable for POL DOF, x is measurable for SPA DOF, g is the coupling strength of two DOFs, and H'is the frequency drift of χ Information, t = π /Ω indicates the total duration that the two DOFs interact with,
The change in SPA DOF due to the change is determined by the frequency drift parameter (χ),
A method for synchronizing quantum networks, wherein the phase prediction is performed through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ) and the frequency resynchronization is performed based on the phase prediction.
삭제delete 제11 항에 있어서,
상기 주파수 동기화 구성 단계에서,
상기 제1 기기와 상기 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득하고,
상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시키는, 양자 네트워크 동기화 방법.
The method of claim 11,
In the frequency synchronization configuration step,
Acquire information about the N singlet (singlet) state shared between the first device and the second device,
A method for synchronizing quantum networks by introducing a sinusoidal component of a bell basis on the singlet state to evolve the singlet state.
삭제delete 삭제delete 양자 네트워크 동기화 방법을 수행하는 양자 수신 기기에 있어서,
송신 기기인 제1 기기로 동기화된 양자 시계(synchronized quantum clock)에 관한 정보를 전송하도록 구성된 인터페이스부 ― 상기 동기화된 양자 시계를 이용하여 상기 제1 기기가 주파수 동기화 위한 클록 네트워크 구성을 수행 ―; 및
상기 클록 네트워크에서 클록 큐빗의 주파수 드리프트를 검출하여 비동기화(desynchronization)를 예측하도록 구성된 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
위상 예측(phase estimation)을 통해 주파수 재동기화(resynchronization)를 수행하며,
상기 제어부는,
광자에 대한 벨 상태 측정(Bell state measurement)에 기반하는 광자에 대한 편광 자유도(POL DOF)에 관한 정보를 상기 제1 기기로부터 수신하고,
상기 POL DOF에 대한 상호 측정(joint measurement) 결과를 획득하고,
상기 상호 측정 결과에 기반하여 상기 주파수 드리프트로 인한 주파수 편이(deviation)가 상기 비동기화 예측과 연관된 허용가능 범위를 넘는 경우 상기 주파수 재동기화가 수행되며,
초얽힘 상태(hyperentangled state)의 광자를
Figure 112020023217056-pat00068
에 의한 유니터리
Figure 112020023217056-pat00069
를 이용하여 변화(evolution)시키고 ― 여기서, H′은 POL DOF에 대해 측정가능하고, x 는 SPA DOF에 대해 측정가능하고, g 는 두 개의 DOF의 커플링 세기이고, H′은 주파수 드리프트 χ의 정보를 포함하고, t = π /Ω은 두 개의 DOF가 상호작용하는 총 듀레이션을 표시함 ―,
상기 변화에 의한 SPA DOF의 변화는 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 의해 결정되고,
상기 주파수 드리프트 파라미터(χ)에 관한 확률 분포를 통해 상기 위상 예측을 수행하고, 상기 위상 예측에 기반하여 상기 주파수 재동기화를 수행하는, 양자 수신 기기.
In the quantum receiving device performing a quantum network synchronization method,
An interface unit configured to transmit information on a synchronized quantum clock to a first device as a transmitting device, wherein the first device performs clock network configuration for frequency synchronization using the synchronized quantum clock; And
And a control unit configured to detect frequency drift of a clock qubit in the clock network and predict desynchronization,
The control unit,
Frequency resynchronization is performed through phase estimation,
The control unit,
Receiving information about polarization degrees of freedom (POL DOF) for photons based on Bell state measurement for photons from the first device,
Acquire the joint measurement (joint measurement) results for the POL DOF,
When the frequency deviation due to the frequency drift exceeds the allowable range associated with the asynchronous prediction based on the mutual measurement result, the frequency resynchronization is performed,
Photon in hyperentangled state
Figure 112020023217056-pat00068
By unity
Figure 112020023217056-pat00069
Evolution using-where H'is measurable for POL DOF, x is measurable for SPA DOF, g is the coupling strength of two DOFs, and H'is the frequency drift of χ Information, t = π /Ω indicates the total duration that the two DOFs interact with,
The change in SPA DOF due to the change is determined by the frequency drift parameter (χ),
A quantum receiving device that performs the phase prediction through a probability distribution of the frequency drift parameter (χ) and performs the frequency resynchronization based on the phase prediction.
삭제delete 제16 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 기기와 제2 기기 간에 공유되는 N개의 싱글릿(singlet) 상태에 관한 정보를 획득하고,
상기 싱글릿 상태에 벨-기저(Bell basis)의 정현파 성분을 도입하여 상기 싱글릿 상태를 변화(evolve)시키는, 양자 수신 기기.
The method of claim 16,
The control unit,
Acquiring information about the N singlet (singlet) state shared between the first device and the second device,
A quantum receiving device that introduces a bell-based sinusoidal component into the singlet state to evolve the singlet state.
삭제delete 삭제delete
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