[论文解读] Towards Quantum-Native Communication Systems: State-of-the-Art, Trends, and Challenges

Xiao-Lin Zhou, Anqi Shen+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Molecular Communication and Nanonetworks被引用 7

一句话总结

本文提出了一种量子原生通信架构，将量子技术（如量子域MIMO、安全直接通信和量子人工智能）整合至未来的无线系统中。该文提出了一套面向量子安全、高容量和智能通信的系统级框架，识别了在纠缠退相干、太赫兹量子器件以及量子计算集成方面面临的关键挑战与未来研究方向。

ABSTRACT

The potential synergy between quantum communications and future wireless communication systems is explored. By proposing a quantum-native or quantum-by-design philosophy, the survey examines technologies such as quantumdomain (QD) multi-input multi-output, QD non-orthogonal multiple access, quantum secure direct communication, QD resource allocation, QD routing, and QD artificial intelligence. The recent research advances in these areas are summarized. Given the behavior of photonic and particle-like Terahertz (THz) systems, a comprehensive system-oriented perspective is adopted to assess the feasibility of using quantum communications in future systems. This survey also reviews quantum optimization algorithms and quantum neural networks to explore the potential integration of quantum communication and quantum computing in future systems. Additionally, the current status of quantum sensing, quantum radar, and quantum timing is briefly reviewed in support of future applications. The associated research gaps and future directions are identified, including extending the entanglement coherence time, developing THz quantum communications devices, addressing challenges in channel estimation and tracking, and establishing the theoretical bounds and performance trade-offs of quantum communication, computing, and sensing. This survey offers a unique perspective on the potential for quantum communications to revolutionize future systems and pave the way for even more advanced technologies.

研究动机与目标

• 通过整合量子技术，应对6G及以后网络对超安全、高容量和智能通信日益增长的需求。
• 识别量子通信中的关键研究空白，包括纠缠退相干时间、信道估计以及硬件可扩展性问题。
• 提出一种量子原生（量子就地设计）架构，统一量子通信、计算与感知，以支持下一代网络。
• 利用先进的对准与资源分配技术，评估在移动、空中及空间网络中部署量子技术的可行性。
• 探索量子通信与新兴技术（如人工智能、MEC和ISAC）之间的协同效应，以实现感知与通信的集成。

提出的方法

• 提出一种量子原生或量子就地设计架构，从基础出发重新思考通信系统，将量子原理作为核心设计要素。
• 引入量子域（QD）技术，如QD MIMO、QD NOMA、QD资源分配和QD路由，以提升频谱效率与安全性。
• 回顾量子优化算法与量子神经网络，以支持低时延、智能的通信任务。
• 分析量子通信与量子计算及感知的集成，包括量子雷达、时间同步与ISAC（感知与通信一体化）。
• 从光子与类粒子太赫兹（THz）系统的综合视角出发，评估系统级可行性，涵盖硬件约束与传播效应。
• 识别理论与实际挑战，如纠缠消耗速率、移动网络中的信道估计，以及量子终端微型化带来的硬件限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计量子原生通信系统，以在未来的6G及以后网络中最大化安全性、容量与智能性？
• RQ2 在单一系统中集成量子通信、计算与感知时，其关键性能权衡与理论极限是什么？
• RQ3 如何延长量子纠缠退相干时间与降低纠缠消耗速率，以实现远距离量子通信？
• RQ4 在无人机（UAV）与低地球轨道（LEO）卫星等移动与高动态环境中部署量子通信面临哪些挑战与解决方案？
• RQ5 如何利用量子安全直接通信（QSDC）与量子人工智能增强未来通信系统的网络安全与智能水平？

主要发现

• 量子原生通信系统通过量子原理，为未来网络提供了变革性潜力，可实现无条件安全、高容量与智能通信。
• QD MIMO、QD NOMA与QD资源分配显著提升了频谱效率与安全性，其性能增益取决于量子态管理能力与抗错韧性。
• 延长纠缠退相干时间并降低纠缠消耗速率，是提升量子通信距离的关键，二者均直接影响有效通信范围。
• ATP（捕获、跟踪与对准）系统对移动量子通信至关重要，尤其在无人机与卫星网络中，对准与移动性构成重大挑战。
• 集成量子感知与通信（ISAC）系统在自动驾驶与医疗等应用中展现出前景，但需开发能区分感知与通信信号的新信道模型。
• 将量子计算与通信系统集成，可实现安全网络与分布式计算的新能力，但实际部署仍需在NISQ时代硬件与错误缓解技术方面取得进展。