[论文解读] 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 19

一句话总结

NetSquid 是一个用于量子网络和模块化量子计算系统的离散事件仿真平台，支持从物理层硬件到应用层协议的端到端仿真。它支持依赖时间的噪声建模，并在使用简化物理模型的情况下，实现了对1,000个节点链路中量子纠缠分发的亚秒级仿真。

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.

研究动机与目标

• 开发一个可扩展、模块化的量子网络与模块化量子计算系统仿真框架。
• 实现对物理层组件（如金刚石中的氮空位中心和中继链中的原子系综）的详细仿真。
• 支持在解析上难以处理的区域（如量子交换机中）的控制平面分析。
• 以模块化且可组合的方式建模跨网络各层的时间依赖性噪声效应。
• 实现大规模量子网络（包括数千个节点上的量子纠缠分发）的高效仿真。

提出的方法

• NetSquid 采用离散事件仿真范式，通过精确的事件调度来模拟随时间演化的量子系统。
• 它支持对物理层组件（包括量子比特退相干、光子损耗和门保真度不足）的模块化建模。
• 该平台将控制平面逻辑与物理层动态相结合，支持协议与硬件的联合仿真。
• 它采用事件驱动执行机制，高效处理量子网络中的时间依赖性噪声和随机过程。
• 仿真组件被抽象为可重用模块，支持灵活配置网络拓扑和设备模型。
• 该框架同时支持详细的物理模型和简化的模型，以在大规模网络仿真中实现可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将量子网络协议与真实硬件缺陷及时间依赖性噪声联合仿真？
• RQ2 在包含最多1,000个节点的大规模量子网络中，量子纠缠分发的性能如何？
• RQ3 控制平面机制（如量子交换机中的机制）在解析方法无法处理的区域中行为如何？
• RQ4 物理层噪声与协议层控制对网络性能的综合影响是什么？
• RQ5 离散事件仿真平台在大规模场景下，能多高效地建模复杂的量子网络动力学？

主要发现

• NetSquid 使用简化物理模型，在不到三秒内实现了对1,000个节点链路中量子纠缠分发的仿真。
• 该平台成功以模块化方式建模了时间依赖性噪声，从而能够准确预测硬件与协议性能的综合表现。
• 它展示了对复杂量子网络组件（如基于氮空位中心的处理节点和原子系综中继器）仿真的可行性。
• 对近期提出的量子交换机的控制平面进行了分析，其结果超出了已知的解析解范围，揭示了关于协议行为的新见解。
• 离散事件架构使得大规模量子网络的高效且可扩展仿真成为可能，同时保持了对物理层动态的高度保真度。