[论文解读] Entanglement Swapping in Quantum Switches: Protocol Design and Stability Analysis

Wenhan Dai, Anthony Rinaldi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 25被引用 15

一句话总结

本文为量子交换机设计了纠缠交换协议，确保在容量区域内任意负载下均具备稳定性与零平均时延。通过利用李雅普诺夫漂移分析与按需协议，作者在噪声条件下仍实现高保真度与低时延，仿真结果验证了在内存大小、退相干时间与交换成功率等条件下的性能表现。

ABSTRACT

Quantum switches are critical components in quantum networks, distributing maximally entangled pairs among end nodes by entanglement swapping. In this work, we design protocols that schedule entanglement swapping operations in quantum switches. Entanglement requests randomly arrive at the switch, and the goal of an entanglement swapping protocol is to stabilize the quantum switch so that the number of unfinished entanglement requests is bounded with a high probability. We determine the capacity region for the rates of entanglement requests and develop entanglement swapping protocols to stabilize the switch. Among these protocols, the on-demand protocols are not only computationally efficient, but also achieve high fidelity and low latency demonstrated by results obtained using a quantum network discrete event simulator.

研究动机与目标

• 确定量子交换机能够稳定支持的纠缠请求速率的容量区域。
• 设计在该容量区域内任意负载下均能稳定交换机的协议。
• 实现在纠缠请求处理中的零平均时延。
• 在有限内存、退相干与非完美交换等实际约束下评估协议性能。

提出的方法

• 使用定制化的李雅普诺夫漂移分析函数，推导量子交换机的稳定性条件。
• 设计静态与按需协议，根据请求队列与可用贝尔对（EPR对）调度纠缠交换。
• 采用按需协议，动态选择EPR对，无需预先掌握请求或信道行为的统计信息。
• 在按需协议中引入虚拟请求，实现在保持计算效率的同时达到零平均时延。
• 使用 NetSquid（一种离散事件量子网络仿真器）在真实噪声与内存约束下验证协议。
• 分析内存大小、退相干时间与纠缠交换成功率对保真度与时延的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子交换机能够稳定支持的最大纠缠请求速率集合是什么？
• RQ2 如何设计纠缠交换协议，使交换机在容量区域内的任意负载下均能稳定运行？
• RQ3 能否设计出实现纠缠请求处理零平均时延的协议？
• RQ4 内存大小、退相干时间与交换成功率在实际中如何影响保真度与时延？
• RQ5 在真实量子硬件约束下，稳定性、保真度与时延之间存在何种性能权衡？

主要发现

• 容量区域定义了可被稳定支持的纠缠请求速率集合；超出该区域的速率将导致无法稳定。
• 按需协议在无需掌握请求或信道动态统计信息的前提下，实现零平均时延与高保真度。
• 随着纠缠交换成功率提高，系统由不稳定过渡到稳定，保真度先下降后趋于稳定。
• 时延随交换成功率提高而降低，直至内存达到满载，此后进一步提升收益递减。
• 在容量区域边界附近，性能发生急剧变化，保真度与时延在 q ≈ 0.33（K=8）与 q ≈ 0.67（K=4）附近出现突变。
• 内存大小在达到一定点后边际效益递减；退相干时间 T₂ 对时延影响较小，但 T₂ 越大，保真度越高。