論文の概要: OSI Stack Redesign for Quantum Networks: Requirements, Technologies, Challenges, and Future Directions

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.12195v1
• Date: Fri, 13 Jun 2025 19:48:18 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-17 17:28:45.394423
• Title: OSI Stack Redesign for Quantum Networks: Requirements, Technologies, Challenges, and Future Directions
• Title（参考訳）: 量子ネットワークのためのOSIスタック再設計 - 要件,技術,課題,今後の方向性
• Authors: Shakil Ahmed, Muhammad Kamran Saeed, Ashfaq Khokhar,
• Abstract要約: 量子通信は次世代ネットワークの基礎となる。 古典的なOSIモデルは、決定論的およびエラー耐性システムのために設計されており、量子固有現象をサポートしない。 本稿では,7Gの文脈における量子ネットワークのためのOSIモデルのアーキテクチャ的再設計を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum communication is poised to become a foundational element of next-generation networking, offering transformative capabilities in security, entanglement-based connectivity, and computational offloading. However, the classical OSI model-designed for deterministic and error-tolerant systems-cannot support quantum-specific phenomena such as coherence fragility, probabilistic entanglement, and the no-cloning theorem. This paper provides a comprehensive survey and proposes an architectural redesign of the OSI model for quantum networks in the context of 7G. We introduce a Quantum-Converged OSI stack by extending the classical model with Layer 0 (Quantum Substrate) and Layer 8 (Cognitive Intent), supporting entanglement, teleportation, and semantic orchestration via LLMs and QML. Each layer is redefined to incorporate quantum mechanisms such as enhanced MAC protocols, fidelity-aware routing, and twin-based applications. This survey consolidates over 150 research works from IEEE, ACM, MDPI, arXiv, and Web of Science (2018-2025), classifying them by OSI layer, enabling technologies such as QKD, QEC, PQC, and RIS, and use cases such as satellite QKD, UAV swarms, and quantum IoT. A taxonomy of cross-layer enablers-such as hybrid quantum-classical control, metadata-driven orchestration, and blockchain-integrated quantum trust-is provided, along with simulation tools including NetSquid, QuNetSim, and QuISP. We present several domain-specific applications, including quantum healthcare telemetry, entangled vehicular networks, and satellite mesh overlays. An evaluation framework is proposed based on entropy throughput, coherence latency, and entanglement fidelity. Key future directions include programmable quantum stacks, digital twins, and AI-defined QNet agents, laying the groundwork for a scalable, intelligent, and quantum-compliant OSI framework for 7G and beyond.
• Abstract（参考訳）: 量子通信は次世代ネットワークの基本要素となり、セキュリティ、絡み合いベースの接続、計算のオフロードなどのトランスフォーメーション機能を提供する。 しかし、古典的なOSIモデルは決定論的およびエラー耐性システムのために設計されており、コヒーレンス・フラクティリティ、確率的絡み合い、非閉定理のような量子固有現象をサポートしない。 本稿では,7G の文脈における量子ネットワークにおける OSI モデルのアーキテクチャ的再設計を提案する。 我々は,従来のモデルをレイヤ0(量子基板)とレイヤ8(認知インテント)で拡張することにより,量子収束OSIスタックを導入し,LLMとQMLによる絡み合い,テレポーテーション,セマンティックオーケストレーションをサポートする。 各層は、強化MACプロトコル、フィデリティ対応ルーティング、ツインベースアプリケーションなどの量子機構を組み込むように再定義される。 この調査は、IEEE、ACM、MDPI、arXiv、Web of Science(2018-2025)の150以上の研究成果を統合し、それらをOSI層で分類し、QKD、QEC、PQC、RISといった技術、衛星QKD、UAVスワム、量子IoTといったユースケースを可能にする。 NetSquid、QuNetSim、QuISPといったシミュレーションツールとともに、ハイブリッド量子古典制御、メタデータ駆動オーケストレーション、ブロックチェーン統合量子信頼といった層間イネーブラーの分類が提供されている。 本稿では、量子ヘルスケアテレメトリ、絡み合った車両ネットワーク、衛星メッシュオーバーレイなど、いくつかのドメイン固有の応用について述べる。 エントロピースループット,コヒーレンスレイテンシ,絡み合いの忠実度に基づく評価フレームワークを提案する。 将来的には、プログラマブルな量子スタック、デジタルツイン、AI定義のQNetエージェント、スケーラブルでインテリジェントで量子に準拠する7G以降のOSIフレームワークの基盤となる。

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