光纖網路加速實現量子未來

具備量子通訊能力的未來光學網路是量子技術的支柱之一。除了促進經典訊號的傳輸，這些網路也解鎖交換量子資訊的潛力，帶來了無條件安全(Unconditional Security)、分布式量子運算和分布式感測等全新可能。本文討論將傳統光學網路基礎設施提升為量子網路的初始步驟，稱之為「量子網路規畫」，並分享Quantum Network Planning for Utility Maximization研究成果^[1]。

雙向中繼器為長距離首選

在深入探討相關細節之前，首先有必要重溫一些基本概念。(透過光纖)實現長距離量子通訊，最大挑戰在於訊號衰減(或光子損耗)。量子力學原理排除了直接採用訊號放大等經典技術來解決衰減問題的可能性。為解決這一問題，過去幾年陸續出現了幾種方案，統稱為量子中繼器(Quantum Repeater)。量子中繼器從傳統技術的對等元件取得靈感，其核心理念是在訊號傳輸中間設置若干中繼站，有效對抗光子損耗。按照所需通訊類型，這些量子中繼器方案一般可分為兩類：雙向中繼器和單向中繼器。

與需要前向量子糾錯的單向中繼器相比，雙向中繼器具有更簡單的量子硬體，可以應對更長的距離，但也同時具有兩項缺點：延遲和壅塞。儘管如此，在具備量子糾錯能力的緊湊型量子電腦出現之前，雙向中繼器仍然是長距離量子通訊的首選。值得注意的是，雙向方案的目標是分配連接成對終端使用者的端到端糾纏鏈路(Entanglement Link)，這也是雙向中繼器方案常被稱為「糾纏分發網路」的原因。

規畫架構優化整體網路

如前所述，量子網路使用光通訊鏈路。在規畫以務實、符合經濟成本的方式來構建量子網路時，利用現有光學網路基礎設施是極具吸引力的策略。在現有基礎設施中構建糾纏分發網路的第一步是確定嵌入量子硬體的最佳位置。

這些戰略位置的候選者，自然是整個光學網路結構中現有的路由器和EDFA(摻鉺光纖放大器)。研究中將中繼器放置問題表述為整數線性規畫(Integer Linear Programming, ILP)問題，架構將包含量子硬體可能位置的現有網路拓撲作為輸入，並以量子網路效用最大化的目標來解決分配問題。因此，可以得出需要多少個中繼器、在哪里放置它們，以及如何將量子記憶體等量子硬體資源分配給不同的使用者配對(User Pair)。研究也進一步得出量子記憶體同調時間的最小值。

研究所採用的架構設計基於兩個關鍵原則：

．公平：使用者配對的網路吞吐量根據其端到端距離決定。舉例來說，距離相近的使用者配對可獲得相近的糾纏位元率(Ebit Rate)。如果這些使用者配對使用相同的中繼節點，那麽量子記憶體將在它們之間平均分配。

．效率：量子中繼器不一定越多越好。量子硬體將產生雜訊，在路徑上放置更多中繼器將同時增加整體雜訊水準。研究所採用之架構不僅考慮了糾纏位元生成率，還考慮了端到端的糾纏品質(使用最終狀態準確度)。

下文將透過淺顯易懂的例子來說明該網路規畫架構的作用。假設某個現有的光學網路是一條線性鏈，末端有兩個使用者(圖1)。

優化方案發現，需要將中間節點升級為量子中繼器，如圖2所示。

ESnet網路應用情形

接著，研究團隊進一步將量子網路規畫架構應用於包括能源科學網路(ESnet)在內的幾種實際網路拓撲。團隊考慮了美國東海岸和中西部的6個使用者配對。圖3中，ESnet核心節點和邊緣節點分別以綠色圓圈和紅色方塊表示(圖3採用圖1和圖2介紹過的網路圖表示法)。由於原始鏈路較長(超過百英里)，研究團隊透過添加輔助節點對網路圖進行增強，如此一來，沒有任何一段光學鏈路超過60英里。研究團隊假設整個網路中最多可以使用20個量子中繼器。

ESnet的最優解如圖3下方所示。該方案中最長的鏈路大約為125英里，這代表需要在每個量子中繼器安裝10,000個量子記憶體(以便用於多工)，其同調時間至少為2毫秒，以實現每次請求3個糾纏位元的平均網路吞吐量。這樣講可能不太有感覺，但取決於不同技術，量子記憶體的同調時間將從微秒到數小時不等。就可擴展性和多工潛力而言，最有希望的候選技術是晶體中的色心缺陷(Color Center Defect)，其同調時間接近10毫秒^[2]。

綜上所述，本文概述研究團隊所開發的架構，說明利用現有光學網路基礎設施規畫量子網路的第一步，並將其表述為一個優化問題(採ILP形式)。

(本文作者任職於Cisco)

參考資料

[1] https://arxiv.org/abs/2308.16264

[2] https://arxiv.org/abs/2212.10820