論文の概要: Secure and Efficient Entanglement Distribution Protocol for Near-Term Quantum Internet

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2312.05775v1
• Date: Sun, 10 Dec 2023 05:38:40 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-12-12 18:51:46.599449
• Title: Secure and Efficient Entanglement Distribution Protocol for Near-Term Quantum Internet
• Title（参考訳）: 量子インターネットのためのセキュアかつ効率的な絡み合い分散プロトコル
• Authors: Nicholas Skjellum, Mohamed Shaban, and Muhammad Ismail
• Abstract要約: 本稿では,量子リンクが制限された古典量子ネットワークにおいて,量子デバイス間の絡み合いを分散するためのプロトコルを提案する。 提案プロトコルでは,蝶のネットワーク上での絡み合いを効率よく分散するために,絡み合わせスワップを用いる。 また、量子状態符号化による悪意のある絡み合いに対する絡み合い分布の確保のためのプロトコルを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.7562083088615124
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Quantum information technology has the potential to revolutionize computing, communications, and security. To fully realize its potential, quantum processors with millions of qubits are needed, which is still far from being accomplished. Thus, it is important to establish quantum networks to enable distributed quantum computing to leverage existing and near-term quantum processors into more powerful resources. This paper introduces a protocol to distribute entanglements among quantum devices within classical-quantum networks with limited quantum links, enabling more efficient quantum teleportation in near-term hybrid networks. The proposed protocol uses entanglement swapping to distribute entanglements efficiently in a butterfly network, then classical network coding is applied to enable quantum teleportation while overcoming network bottlenecks and minimizing qubit requirements for individual nodes. Experimental results show that the proposed protocol requires quantum resources that scale linearly with network size, with individual nodes only requiring a fixed number of qubits. For small network sizes of up to three transceiver pairs, the proposed protocol outperforms the benchmark by using 17% fewer qubit resources, achieving 8.8% higher accuracy, and with a 35% faster simulation time. The percentage improvement increases significantly for large network sizes. We also propose a protocol for securing entanglement distribution against malicious entanglements using quantum state encoding through rotation. Our analysis shows that this method requires no communication overhead and reduces the chance of a malicious node retrieving a quantum state to 7.2%. The achieved results point toward a protocol that enables a highly scalable, efficient, and secure near-term quantum Internet.
• Abstract（参考訳）: 量子情報技術は、コンピューティング、通信、セキュリティに革命をもたらす可能性がある。 その可能性を十分に実現するためには、数百万の量子ビットを持つ量子プロセッサが必要である。 したがって、分散量子コンピューティングが既存の短期量子プロセッサをより強力なリソースに活用できるようにするために、量子ネットワークを確立することが重要である。 本稿では,量子リンクが限られている古典量子ネットワークにおいて,量子デバイス間の絡み合いを分散するプロトコルを提案する。 提案プロトコルでは,バタフライネットワークにおいてエンタングルメントを効率的に分散するためにエンタングルメントスワッピングを用い,ネットワークボトルネックを克服しながら量子テレポーテーションを実現し,各ノードの量子ビット要求を最小化するために,古典的なネットワーク符号化を適用する。 実験の結果,提案プロトコルはネットワークサイズと線形にスケールする量子資源を必要とし,各ノードは固定数の量子ビットしか必要としないことがわかった。 最大3つのトランシーバペアの小さなネットワークサイズの場合、提案プロトコルは17%少ないキュービットリソースを使用し、精度を8.8%向上し、35%高速なシミュレーション時間でベンチマークを上回っている。 ネットワークサイズが大きいほど、割合が大幅に向上する。 また,回転による量子状態エンコードを用いた悪質な絡み合いに対する絡み合い分布を確保するプロトコルを提案する。 解析の結果,この手法は通信オーバーヘッドを必要とせず,悪意のあるノードが量子状態を取得する確率を7.2%に低下させることがわかった。 得られた結果は、高度にスケーラブルで効率的でセキュアな短期量子インターネットを実現するプロトコルに向けられている。

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