3. Kwantowe sieci komunikacyjne

Wizja globalnej sieci kwantowej, analogicznej do klasycznego internetu ale przesyłającej informację kwantową, motywuje rozwój skalowalnych architektur i protokołów.

Architektury sieci kwantowych

Hierarchiczna struktura podobna do klasycznego internetu: lokalne sieci kwantowe (LAQN) łączące pobliskich użytkowników, metropolitalne sieci kwantowe obejmujące miasta oraz rozległe sieci szkieletowe dla połączeń długodystansowych.

Różne warstwy wykorzystują różne technologie. LAQN wykorzystują bezpośrednie połączenia światłowodowe i pracę ciągłą. Sieci metropolitalne to sieci przełączane z routerami kwantowymi i zaufanymi węzłami dla obecnej technologii. Sieci szkieletowe wykorzystują łącza satelitarne dla połączeń międzykontynentalnych, a w przyszłości naziemne łącza oparte na przekaźnikach.

Hybrydowe podejście łączy klasyczną komunikację dla kontroli i zarządzania, kanały kwantowe dla faktycznego transferu stanów kwantowych oraz różne warstwy fizyczne (światłowód, przestrzeń swobodna, satelita).

Protokoły sieciowe dla informacji kwantowej

Adaptacja klasycznych protokołów sieciowych do domeny kwantowej wymaga fundamentalnych modyfikacji.

Trasowanie kwantowe: twierdzenie o nieklonowaniu uniemożliwia klasyczne podejścia, decyzje trasowania muszą uwzględniać zasoby kwantowe (splątanie), rozwój kwantowych tablic trasowania i protokołów aktualizacji.

Korekcja błędów kwantowych w sieciach: korekcja błędów na poziomie sieci poza punkt-punkt, rozproszone protokoły kodowania/dekodowania, koordynacja między węzłami dla ekstrakcji syndromu.

Alokacja zasobów: splątanie jako zasób zużywalny, protokoły szeregowania dla sprawiedliwego dostępu, gwarancje jakości usług dla połączeń kwantowych.

Wysiłki standaryzacyjne: rozwój stosu sieci kwantowej analogicznego do modelu OSI, definicje interfejsów między warstwami, protokoły dla interoperacyjności między różnymi implementacjami.

Zastosowania sieci kwantowych

Poza QKD, sieci kwantowe umożliwiają nowe zastosowania.

Rozproszone obliczenia kwantowe: łączenie małych procesorów kwantowych w większy układ, algorytmy kwantowe rozproszone między wiele węzłów, obliczenia rozproszone zachowujące prywatność.

Sieci czujników kwantowych: połączone czujniki kwantowe dla zwiększonej precyzji, rozproszone protokoły metrologii kwantowej, zastosowania w geodezji, astronomii, nawigacji.

Ślepe obliczenia kwantowe: użytkownik z ograniczonymi zasobami korzysta ze zdalnego komputera kwantowego, protokoły zapewniające prywatność obliczeń, weryfikacja poprawności bez znajomości szczegółów.

Demonstracje koncepcji obejmują wielopartyjne QKD w sieciach metropolitalnych, eksperymenty rozproszonych obliczeń kwantowych oraz synchronizację zegarów używająca korelacji kwantowych.

Plan rozwoju przewiduje:

• 2025-2030: metropolitalne sieci kwantowe w głównych miastach,
• 2030-2035: połączenia między miastami, sieci krajowe,
• 2035+: globalny internet kwantowy z pełną funkcjonalnością.