[論文レビュー] High-speed quantum networking by ship

Simon J. Devitt, Andrew D. Greentree+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、貨物船による誤り訂正付き量子メモリの輸送を活用して、高帯域幅・低遅延なグローバル量子ネットワークを実現する量子スニーカーネットを提案する。遠隔ノード間で事前にエンタングルされた論理的量子ビットを輸送することで、高密度の中継器の設置を回避し、スケーラブルで搬送可能な量子メモリユニットを用いて、1秒間に最大10⁸の論理的エンタングルメントを達成する。

ABSTRACT

Networked entanglement is an essential component for a plethora of quantum computation and communication protocols. Direct transmission of quantum signals over long distances is prevented by fibre attenuation and the no-cloning theorem, motivating the development of quantum repeaters, designed to purify entanglement, extending its range. Quantum repeaters have been demonstrated over short distances, but error-corrected, global repeater networks with high bandwidth require new technology. Here we show that error corrected quantum memories installed in cargo containers and carried by ship can provide a flexible connection between local networks, enabling low-latency, high-fidelity quantum communication across global distances at higher bandwidths than previously proposed. With demonstrations of technology with sufficient fidelity to enable topological error-correction, implementation of the quantum memories is within reach, and bandwidth increases with improvements in fabrication. Our approach to quantum networking avoids technological restrictions of repeater deployment, providing an alternate path to a worldwide Quantum Internet.

研究の動機と目的

• 光ファイバーの減衰とノーコピーテーブルの定理による長距離量子ネットワークの課題に対処する。
• 10 kmごとに高密度で高消費電力かつ冷却が必要な従来の量子中継器の制限を克服する。
• 現在の中継器ベースのシステムよりも高い帯域幅を実現するグローバルスケールの量子通信を可能にする。
• 既存の海運物流を活用することで、衛星や中継器ネットワークの代替としてスケーラブルかつ実装可能な代替手段を提供する。
• 物理的輸送による量子メモリの移動が、大西洋を越える距離で高精度・高スループットのエンタングルメント配布を達成できることを実証する。

提案手法

• 搬送可能な量子メモリユニットに保存された論理的量子ビットを、障害耐性のあるトポロジカル量子誤り訂正（表面コード、d=33）で保護する。
• 送信元の固定量子メモリと、船に搭載された移動型量子メモリの間で論理的ベル状態を確立する。
• 連続的な誤り訂正を適用しながら、貨物船を用いて大西洋を越えるルート（例：日本–米国、約20日）を移動させる。
• 到着地および出発地のノードで、各ベル状態の1量子ビットを測定することで論理レベルのエンタングルメントスワッピングを実行し、エンドツーエンドのエンタングルメントを生成する。
• 並列処理可能なコンテナインターフェースと多重化された光波導を活用し、高いデータレート（1船あたり最大10⁸エンタングルメント/秒）を達成する。
• 船が常にエンタングルメント付きのメモリを搭載するネットワークプロトコルを設計し、未使用の輸送を回避し、継続的なエンタングルメントの可用性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 貨物船による誤り訂正付き量子メモリの物理的輸送が、従来の量子中継器ネットワークよりも高い帯域幅を達成できるか？
• RQ2 船による輸送の遅延が、エンタングルメント配布の性能と実用性に与える影響は何か？
• RQ3 この手法をスケールアップ可能にするために必要な物理的パrameter（例：ゲート時間、符号距離、メモリ容量）は何か？
• RQ4 遅いコンテナ間通信速度であっても、システムが高精度および高スループットを維持できるか？
• RQ5 未エンタングルのメモリを輸送する空白時間がないように、ネットワークをどのように設計すればよいか？

主な発見

• 本手法により、大西洋を越える距離（例：日本–米国）でのエンタングルメント配布が可能となり、20日間の輸送時間がエンタングルメント生成および消費の上限として機能する。
• 表面コード距離d=33、ゲート時間t=3.5 μsのNV–光学実装を想定した場合、論理的ベル状態の生成に1.4 msを要し、18秒間で12.7 KEB（キロエンタングルド・ビット）の生成または消費が可能となる。
• 全10⁴コンテナが稼働している場合、1隻分のエンタングルメントは2.5日以内に消費可能であり、1秒間に最大10⁸の論理的エンタングルメントを処理できる。
• コンテナ間の操作がコンテナ内操作より最大10倍遅くても、並列処理が可能であるため性能劣化は生じない。
• 複数のコンテナを同時に使用することで、遅いコンテナ間インターフェースを補償でき、並列処理によってスケーラブルな帯域幅を実現できる。
• 本手法は、1コンテナあたり10⁶〜10⁸エンタングルメント/秒の理論的帯域幅を達成でき、表Iに示すさまざまな物理的実装における性能目標が定義されている。