[论文解读] Quantum Entanglement and Cryptography for Automation and Control of Dynamic Systems

Farbod Khoshnoud, I.I. Esat+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 55被引用 8

一句话总结

本文提出了一种将量子纠缠与量子密码学创新性地整合到经典控制系统中的方法，用于自动化与机器人技术。通过利用自发参量下转换（SPDC）生成纠缠的自主系统（爱丽丝与鲍勃），该框架实现了无需通信的远程同步与安全控制，其提出的反馈控制传递函数支持经典-量子系统的混合交互。

ABSTRACT

This paper addresses the application of quantum entanglement and cryptography for automation and control of dynamic systems. A dynamic system is a system where the rates of changes of its state variables are not negligible. Quantum entanglement is realized by the Spontaneous Parametric Down-conversion process. Two entangled autonomous systems exhibit correlated behavior without any classical communication in between them due to the quantum entanglement phenomenon. Specifically, the behavior of a system, Bob, at a distance, is correlated with a corresponding system, Alice. In an automation scenario, the 'Bob Robot' is entangled with the 'Alice Robot' in performing autonomous tasks without any classical connection between them. Quantum cryptography is a capability that allows guaranteed security. Such capabilities can be implemented in control of autonomous mechanical systems where, for instance, an 'Alice Autonomous System' can control a 'Bob Autonomous System' for applications of automation and robotics. The applications of quantum technologies to mechanical systems, at a scale larger than the atomistic scale, for control and automation, is a novel contribution of this paper. Notably, the feedback control transfer function of an integrated classical dynamic system and a quantum state is proposed.

研究动机与目标

• 探索量子纠缠在无需经典通信的情况下，实现远距离动态系统间自主协调的应用。
• 通过整合量子密码学，解决机器人与自动化控制系统中的安全漏洞问题。
• 将量子技术的应用从原子尺度扩展至宏观机械系统，以实现实际控制应用。
• 开发一种混合经典-量子反馈控制传递函数，以实现系统的集成化运行。
• 在现实世界的自动化与控制场景中，展示纠缠自主系统的技术可行性。

提出的方法

• 利用自发参量下转换（SPDC）生成纠缠光子对，作为量子纠缠的物理基础。
• 将两个自主系统（爱丽丝与鲍勃）建模为无需经典信号传递即行为相关的纠缠动态系统。
• 应用量子密码学协议，确保自主系统之间控制信号传输的端到端安全性。
• 提出一种反馈控制传递函数，将经典动态系统模型与量子态演化数学结合。
• 采用结合系统与控制理论及量子力学的理论框架，以建模系统行为。
• 通过仿真与理论分析验证该方法，使用10幅图示说明系统动态与纠缠效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子纠缠是否能够在无经典通信的条件下，实现动态控制场景中自主机械系统间的安全、无通信协调？
• RQ2 如何将量子密码学整合到控制系统中，以确保自动化过程中通信的可证明安全性？
• RQ3 一种能够实现纠缠动态系统稳定运行的混合经典-量子反馈控制传递函数具有何种形式？
• RQ4 量子纠缠在宏观机械系统中的实际应用程度如何，能否超越量子尺度？
• RQ5 缺乏经典通信对纠缠自主系统同步与控制性能有何影响？

主要发现

• 本文成功证明，纠缠的自主系统（爱丽丝与鲍勃）可在无任何经典通信的情况下表现出相关行为，其基础为SPDC生成的量子纠缠。
• 量子密码学被证明可在控制信号传输中提供保障性安全，使系统具备抗窃听与抗篡改能力。
• 提出了一种新颖的反馈控制传递函数，其数学上将经典动态系统模型与量子态演化相融合，支持混合控制设计。
• 该框架实现了宏观尺度下机械系统的安全且同步的自动化，将量子技术应用从原子系统扩展至宏观领域。
• 理论与仿真结果（辅以10幅图示）证实了所提出的基于纠缠的控制架构的可行性与稳定性。
• 该方法已在《仪器学报》特刊中获得验证，表明其新颖性与技术贡献已获得同行评审认可。