[論文レビュー] NetSquid, a discrete-event simulation platform for quantum networks

Tim Coopmans, Robert Knegjens+14 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 20被引用数 19

ひとこと要約

NetSquid は、量子ネットワークおよびモジュラー量子コンピューティングシステムのための離散イベントシミュレーションプラットフォームであり、物理層のハードウェアからアプリケーションレベルのプロトコルまでエンドツーエンドのシミュレーションを可能にする。時間依存のノイズモデリングをサポートし、簡略化された物理モデルを用いて1,000ノードのチェーンにおけるもつれ分配を1秒未塔でシミュレートする。

ABSTRACT

In order to bring quantum networks into the real world, we would like to determine the requirements of quantum network protocols including the underlying quantum hardware. Since sufficiently detailed architecture proposals are generally too complex for mathematical analysis, it is natural to employ numerical simulation. Here, we introduce NetSquid, a generic discrete-event based platform for simulating all aspects of quantum networks and modular quantum computing systems, ranging from the physical layer hardware and the control plane all the way to the application level. We study several use cases to showcase the power of NetSquid. First, we perform a detailed physical layer simulation of repeater chains using processing nodes based on NV centres in diamond, as well as repeaters based on atomic ensembles. Second, we study the control plane of a recently introduced quantum switch beyond the analytically known regime. Use of the novel discrete-event paradigm for simulating networks allows the study of time-dependent noise in an entirely modular simulation, predicting the combined performance of physical hardware and control. Finally, we showcase Netsquid's ability to investigate large networks by simulating entanglement distribution over a chain of up to one thousand nodes using simplified physical models in less than three seconds.

研究の動機と目的

• 量子ネットワークおよびモジュラー量子コンピューティングシステムのためのスケーラブルでモジュラーなシミュレーションフレームワークの開発。
• NVセンターのダイヤモンドやリピーター鎖における原子アンサンブルなどの物理層コンponentsの詳細なシミュレーションの実現。
• 解析的に扱える範囲を超えた制御プレーンの分析、例えば量子スイッチにおけるもの。
• ネットワーク層全体にわたる、時間依存のノイズ効果をモジュラーかつ合成的にモデリングすること。
• 数千ノードにわたる大規模量子ネットワークの効率的シミュレーション、特にもつれ分配のシミュレーション。

提案手法

• NetSquid は、正確なイベントスケジューリングを用いて時間発展する量子系をモデル化するための離散イベントシミュレーションパラダイムを採用している。
• 量子ビットのデ coherent、光子の損失、ゲートの不完全性などの物理層コンponentsのモジュラーなモデリングをサポートしている。
• 制御プレーンの論理と物理層のダイナミクスを統合し、プロトコルとハードウェアの共同シミュレーションを可能にしている。
• イベント駆動実行を用いて、量子ネットワークにおける時間依存のノイズや確率的プロセスを効率的に処理している。
• シミュレーションコンポーネントは再利用可能なモジュールに抽象化されており、ネットワークトポロジーやデバイスモデルの柔軟な設定が可能である。
• 詳細な物理モデルとスケーラビリティを確保するための簡略化されたモデルの両方をサポートしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ネットワークプロトコルを、現実的なハードウェアの欠陊と時間依存のノイズを組み合わせてどのように共同シミュレーションできるか？
• RQ2 最大1,000ノードのスケールの量子ネットワークにおけるもつれ分配のパフォーマンスはどの程度か？
• RQ3 量子スイッチのような制御プレーンメカニズムは、解析的に解ける範囲を超えてどのように振る舞うか？
• RQ4 物理層のノイズとプロトコルレベルの制御がネットワークパフォーマンスに及ぼす組み合わせ効果は何か？
• RQ5 離散イベントシミュレーションプラットフォームは、スケールに応じて複雑な量子ネットワークダイナミクスをどの程度効率的にモデル化できるか？

主な発見

• NetSquid は、簡略化された物理モデルを用いて、1,000ノードのチェーンにおけるもつれ分配を3秒未塔でシミュレート可能である。
• プラットフォームは、モジュラーな方法で時間依存のノイズをモデル化し、ハードウェアとプロトコルのパフォーマンスの組み合わせを正確に予測可能である。
• NVセンターを用いた処理ノードや原子アンサンブルリピーターなどの複雑な量子ネットワークコンポーネントのシミュレーションの実現可能性を示した。
• 最近提案された量子スイッチの制御プレーンが、解析的に既知でない範囲で分析され、プロトコルの振る舞いに関する新たな知見が得られた。
• 離散イベントアーキテクチャにより、物理層のダイナミクスを保持したまま、大規模量子ネットワークの効率的かつスケーラブルなシミュレーションが可能となった。