用于量子高速缓存的系统和方法与流程

用于量子高速缓存的系统和方法
1.本技术是申请日为2021年5月3日、申请号为202180038958.8、发明名称为“用于量子高速缓存的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
2.本文使用的章节标题仅用于组织目的并且不应当被解释为以任何方式限制本技术中描述的主题。
3.相关申请部分
4.本技术是于2020年5月5日提交并且标题为“system and method for quantum cache”的美国临时专利申请序列号63/020,221的非临时申请。美国临时专利申请序列号63/020,221的全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

5.如今的信息系统是高度分布的，并且预计这种趋势将继续，尤其是随着下一代无线系统使人和机器随时随地保持连接。应用和服务越来越依赖分布式信息和处理来运行，但也越来越致力于像本地系统一样操作、观察和感觉。这些种类的未来系统可以从标记、存储和移动信息的改进方法中受益，包括利用所谓的非本地操作和资源的系统。例如，非常期望可以提供不依赖于通信信道或对那些信道的飞行时间延迟敏感的精确位置和定时信息的方法和系统。
6.此外，由于包括高度个人化、机密性和敏感信息在内的大量信息是人和机器所依赖的应用和服务的组成部分，因此安全地标记、存储和移动该信息的改进方法也是非常期望的。例如，不依赖于在通信链路上发送纯文本地址的寻址的方法是期望的。在许多情况下，传统的经典系统在提供解决这些关键问题的特征方面已经达到了技术极限。量子解决方案可以提供许多重要的改进。但是，目前还没有实用的量子系统可以无缝有效地适应经典信息系统，使得可以使用底层量子现象来提高性能。
附图说明
7.根据优选和示例性实施例，本教导连同其进一步的优点在结合附图的以下详细描述中更具体地描述。本领域技术人员将理解的是，下文描述的附图仅用于说明目的。附图不一定按比例绘制，而是一般强调说明教导的原理。附图无意以任何方式限制申请人的教导的范围。
8.图1图示了根据本教导的可以利用量子纠缠的高速缓存的分布式系统。
9.图2图示了根据本教导的结合图1描述的分布式系统的一部分的实施例，该系统包括使用量子纠缠的高速缓存的节点和使用纠缠服务器的节点。
10.图3图示了根据本教导的量子纠缠的高速缓存的实施例的框图。
11.图4图示了表格的实施例，该表格示出了根据本教导的量子纠缠的高速缓存的高速缓存结构。
12.图5a图示了根据本教导的多层量子存储库的实施例的图。
13.图5b图示了示出根据本教导的多层量子纠缠的高速缓存的高速缓存结构的表格。
14.图6a图示了根据本教导的使用纠缠的高速缓存的总线网络的实施例。
15.图6b图示了示出根据本教导的用于多节点网络的纠缠的量子位高速缓存的结构的实施例的表格。
16.图7图示了根据本教导的使用纠缠的量子高速缓存的启用量子的信息系统的实施例的框图。
17.图8图示了根据本教导的控制与应用交互的纠缠的量子高速缓存的控制系统的实施例的框图。
18.图9图示了根据本教导的使用纠缠的高速缓存来提供元数据的分布式系统的实施例。
19.图10图示了在发送者和接收者之间操作的已知量子超密集编解码方案应用。
20.图11图示了根据本教导的使用纠缠的高速缓存的超密集编解码系统的实施例。
21.图12图示了根据本教导的使用纠缠的高速缓存的超密集编解码系统的另一个实施例。
具体实施方式
22.现在将参考附图中所示的示例性实施例更详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但本教导并不旨在限于此类实施例。相反，如本领域技术人员将认识到的，本教导涵盖各种替代、修改和等同物。获得本文教导的本领域普通技术人员将认识到在本文所述的本公开的范围内的附加实施方式、修改和实施例以及其它使用领域。
23.在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特点包括在教导的至少一个实施例中。在说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定都指同一个实施例。
24.应当理解的是，本教导的方法的各个步骤可以以任何次序和/或同时执行，只要教导保持可操作即可。此外，应当理解的是，本教导的装置和方法可以包括任何数量或所有描述的实施例，只要教导保持可操作即可。
25.本教导涉及将量子系统集成到传统的经典信息系统中以形成各种量子信息系统。这些量子信息系统依赖于其量化、叠加、纠缠和/或非局部性的基本特性，以提供优于信息系统技术的类似经典版本的各种性能优势和新特征。量子信息系统的一些已知示例包括量子密钥分发系统、模拟和数字量子计算机、量子通信链路和量子传感器。
26.特别有用的量子对象是量子量子位(quantum qubit)，它是两个基本状态的叠加态，一般可以用dirac表示法描述为|0》和|1》。量子位的不同物理表现形式，例如超导量子位、光学量子位和原子量子位，对于这些基本状态具有不同的物理表现形式。但是，这些不同的表现形式可以用相似的数学表示来表达，并且它们在量子系统中的行为方式相似。应当理解的是，本教导可以应用量子量子位系统的多种表现形式。
27.基本状态的量子位相干叠加可以被表示为|ψ》＝α|0》+β|1》，其中α和β是表示由薛定谔方程支配的每个基本状态的概率振幅的复数，薛定谔方程描述状态如何基于其能量环境随时间演化。作为概率振幅的平方的量值的概率分布指示概率|0》或|1》将由量子位的测量产生。
28.现今在本领域中广泛接受的是，量子位可以被纠缠，这允许它们的物理特性中的
特定物理特性的未来测量与它们与之纠缠的其它量子位完美相关。即使纠缠的量子位在时间和/或空间上是分开的，量子位纠缠的这个特征也成立。这至少部分是由于纠缠的量子系统的量子化的性质，以及描述系统的各种叠加的状态的量子概率的波函数在测量时坍缩为单个量子化的状态的事实。
29.量子位纠缠的另一个特征是，如量子理论所定义的，测量影响整个纠缠的系统，从而导致一种现象，其中在一个位置处的测量导致另一个位置处与测得的状态完美相关的坍缩状态的形式(通常称为波函数坍缩)的结果。这种波函数坍缩，以及在两个位置处相关联的完美相关的结果，使得纠缠的量子位以及，更一般地说，纠缠的分布式量子系统在众多类型的信息系统中是特别有用的资源。
30.应当理解的是，观察量子状态不一定是对量子状态的测量。测量一种动作，该动作使得波函数的状态得以坍塌，所述波函数描述纠缠的系统。物理学家常常将测量定义为探测路径或确定性地区分纠缠的系统的可能状态之一的动作。一旦通过测量被观察，量子系统的状态就不再处于叠加状态，并且不再能够跨其分布式系统维持长期相关性。更确切地说，系统不可逆转地放弃这种类型的连接。
31.本教导的各个方面利用量子系统提供与测量分开建立纠缠的保真度的能力这一事实。一般而言，纠缠的保真度是用于比较量子状态的度量。纠缠的保真度的概念在纯状态的情况下是直截了当的，但对于在真实系统中发现的混合量子状态则更为微妙。换句话说，量子测量与量子状态的其它观察是分开的，这些观察允许人们确定该状态是否仍然被纠缠。事实上，有许多方法可用于探测量子状态的纠缠，而不会干扰纠缠，从而使得量子状态的坍缩发生，然后系统将不再被纠缠。
32.根据本教导的许多量子系统利用以下事实：系统的量子方面可以制备成具有纠缠的状态并且物理地或虚拟地跨各种物理位置分布。可以测量这些纠缠的状态以提供要在远程位置确定的完美相关的状态。这些系统的一个特征是不需要物理信道来提供这种相关的状态确定。在各种实施例中，本教导的量子纠缠的系统在空间和/或时间上是分开的。因此，本教导的各个方面有利地利用了以下事实，即，在两个位置处提供相关的状态确定的状态坍缩是瞬时发生的，并且不考虑那些位置之间的距离和/或那些位置的精确位置的任何方面。
33.此外，本教导的各个方面有利地利用了以下事实，即，进行量子系统的测量的任何外部影响(诸如窃听者)将破坏相关联的纠缠，从而造成状态坍缩。这种状态坍缩可以通过各种已知的机制和协议来确定。任何观察到的或以其它方式被篡改的量子位或依赖于量子状态的量子子系统都可以被丢弃或忽略，因为它不再包含有用的信息。因此，本教导的另一方面是根据本教导的信息系统可以安全地操作，和/或确保隐私不受窃听者或任何结果或测量的各种外部影响。
34.本教导的另一个特征是认识到混合的量子/经典系统仍然可以继续在各种经典信道上操作，和/或使用经典连接来管理它们处理、存储和传送的信息。照此，本教导的系统和方法的各种实施例仍将数据维持在经典状态，并且依赖于与作为经典元数据的各种纠缠的量子位相关联的任何结果或测量，而不是量子状态本身。
35.本教导的另一个特征是认识到需要或至少非常期望管理机制来控制和管理量子状态的分布和存储。取决于特定应用和生成量子状态的方法，可以使用多种机制中的任何
一种来传送和存储量子状态。用于控制和管理生成量子状态的量子物理系统的机制必须认识到，物理量子位的关键性能属性，再结合正在使用量子状态用于各种应用的系统的需求。换句话说，本教导的一个特征是提供各种方法和装置，用于提供在供应量子状态的量子物理系统与将量子状态用于各种应用的经典、半经典和/或量子信息系统之间操作的(一个或多个)适当抽象。(一个或多个)抽象使得不熟悉量子系统领域但熟悉经典系统领域的系统设计者有可能将量子系统作为设计解决方案的一部分包括在内，从而在量子系统与经典系统之间提供相对简单的接口桥。
36.许多重要的量子应用利用分布在网络中的纠缠的量子位。如本文使用的术语“网络”是非常宽泛的术语，其涉及与信息相关联的两个或更多个节点的集合。图1图示了根据本教导的利用量子纠缠的高速缓存的分布式系统100的实施例。多个节点102由链路104连接。一般而言，节点102包括量子系统和经典系统两者。而且，一般而言，链路可以包括经典运输或连接，还可以包括量子运输或连接，并且还可以包括可以运输和/或连接量子和经典数据两者的链路，如本文所述。分布式系统100是具有节点102、102'和链路104的网状拓扑。但是，应当理解的是，本教导可以应用于多种不同的混合拓扑。例如，本教导可以应用于总线、星形、树形、环形、点对点、混合和其它网络拓扑。
37.在分布式系统100的一些实施例中，纠缠的对，或更一般地说，n个纠缠的量子位的更大分组(诸如组中的三个、四个或更多个纠缠的量子位)需要在需要时以任何数量的纠缠的维度k可用。换句话说，本教导的分布式量子纠缠高速缓存可以包括纠缠的量子状态的源，其生成具有多个纠缠的量子状态的量子状态。因此，量子位可以与n个节点共享并包括k个基本状态。当在节点102、102'中使用时，量子位在某种程度上是纠缠的和连贯的。因此，对于一些配置，在节点102、102'中使用一种机制来确保相干的量子位，并丢弃不相干的量子位。
38.在根据本教导的系统的一些实施例中，在节点102、102'或其它地方使用一种机制来供应经核实的相干量子位。而且，在根据本教导的系统的一些实施例中，使用一种机制来确保从节点中可用的量子位的池中供应超过预定百分比的相干量子位的量子。
39.此外，重要的是对量子位进行索引，以便与另一个节点102'相比，在一个节点102中的量子位之间维持配对。根据本教导的量子分布式系统102的一些实施例具有确保以与特定应用兼容的时延访问量子位的机制。例如，可以使用一种机制来适当地同步2-n个节点102、102'之间的2-n个纠缠的量子位的集合的可用性，以确保期望的访问时延并支持那些量子位的配对。节点102、102'中的索引建立允许彼此识别各种配对或n路纠缠的量子状态。即，可以使用索引来指示特定量子状态与哪个(哪些)其它节点的量子状态纠缠在一起。
40.与图1相关联的描述中的分布式系统100的实施例以及本文描述的其它实施例描述了包括纠缠的量子状态的高速缓存的使用。但是，应当理解的是，本教导的高速缓存不限于纠缠的量子状态。如本文所述，量子存储库和量子高速缓存的实施例可以包括和利用不是纠缠的状态的量子状态和/或是纠缠的量子状态的量子状态。
41.图2图示了根据本教导的图1的分布式系统200的一部分的实施例，其中节点202使用纠缠生成器204作为纠缠服务器执行，并且节点206、206'使用量子纠缠的高速缓存208、208'。节点202由链路210、210'连接。本教导的许多实施例使用集中式和/或分布式机制来分布纠缠的量子位。
42.纠缠的量子位由纠缠生成器204提供。为清楚起见，图2中所示的分布式系统200仅图示了接收纠缠的量子位的两个节点206、206'，以及连接到两条链路210、210'的节点202，该节点202在那些链路210、210'上提供纠缠的量子资源。根据本教导的分布式系统200不限于此。例如，许多节点可以接收纠缠的资源。纠缠的资源生成器204可以跨多于两个量子位生成纠缠，因此可以跨多于两条链路210、210'提供纠缠。节点202、206、206'可以包括服务器节点资源204和高速缓存资源208、208'之一或两者。而且，多个纠缠的量子位生成器204可以连接不同和/或相同的高速缓存208、208'。应当理解的是，可以使用本教导来实现各种量子和经典网络连接。
43.本教导的一个特征是认识到，使用与特定量子状态对应的经典索引建立以及与量子状态生成相关联的其它信息，可以容易地将纠缠的光子的确定性和按需源集成到系统中。理想的确定性源在已知的时间并以100％的保真度产生纠缠的光子。在实践中，确定性源以在已知的时间产生一对纠缠的光子或纠缠的光子的集合的已知和/或可表征的高概率(和/或保真度)接近那些目标。虽然这些术语常常可互换使用，但出于本文的目的，按需源在任意但可控的时间产生纠缠的光子，而同时确定性源以高概率在已知的预定时间产生纠缠的光子。重要的是，这两种类型的可控发射量子纠缠的光子源都可以附加相关联的经典数据，包括索引建立信息和量子完整性信息。相关联的经典数据可以被称为元数据。
44.纠缠服务器204的一些实施例使用由非确定性量子光子源的多路复用和/或开关生成的纠缠的光子的确定性源。许多已知的纠缠的光子的高亮度源是所谓的非确定性源，它们产生纠缠的光子对(和更大的纠缠的集合)，但在随机时间。例如，已知自发参量下变频(spdc)、四波混频和各种其它非线性参量过程以高速率提供纠缠光子，但发射时间不确定。已示出多个系统和方法使用与非确定性源相结合的多路复用和/或开关方案来提供确定性光子源。参见例如evan meyer-scott、christine silberhorn和alan migdall，“single-photon sources:approaching the ideal through multiplexing”，review of scientific instruments 91，041101(2020)，其通过引用并入本文。作为一个示例，准确定性源一般可以在给定时隙中基本上超过60％的时间以99％的保真度提供光子对和光子集群(》2个纠缠的光子)。参见例如jeffrey h.shapiro和franco n.wong，“on-demand single-photon generation using a modular array of parametric downconverters with electro-optic polarization controls”，opt.lett.32，2698-2700(2007)，其通过引用并入本文。使用这样的源，有可能提供时间窗口，所述时间窗口包括将在系统中的特定位置提供纠缠的光子对的重复时间窗口，并且也有可能指定只有1％的时间窗口会有错误的量子状态(例如，多于一个光子)。
45.纠缠服务器204的一些实施例使用纠缠的光子的确定性源，该确定性源通过源中量子发射状态的已知的、预定的加载或设置而生成。例如，可以使用量子点源的各种配置。参见例如hui wang、hai hu、t.-h.chung、jian qin、xiaoxia yang、j.-p.li、r.-z.liu、h.-s.zhong、y.-m.he、xing ding、y.-h.deng、qing dai、y.-h.huo、svenchao-yang lu和jian-wei pan，“on-demand semiconductor source of entangled photons which simultaneously has high fidelity,efficiency,and indistinguishability”，phys.rev.lett.122，113602，(2019)，其通过引用并入本文。另参见例如m
ü
ller,m.、
bounouar,s.、k.等人，“on-demand generation of indistinguishable polarization-entangled photon pairs”，nature photon 8，224-228(2014)，其通过引用并入本文。有利地，可以为这些种类的源提供为纠缠的光子事件的预期到达时隙或位置建立索引的能力。此外，有可能提供关于例如将追随准备好的激发状态的不可区分事件(例如，完全相同的光子状态)的数量、预期的保真度(去相位、添加的背景)的相关联的经典数据，以及允许这些源被一般性地描述并作为本文所述的更大系统的一部分并入的关于纠缠的光子的其它相关联的经典信息。经典信息可以被标记为单个纠缠的光子事件或更大的事件集合，具体取决于源。本教导的一个特征是经典的标记过程允许在同一系统中使用多种类型的源。
46.在一些实施例中，纠缠生成器204可以使用链路210、210'将生成的纠缠的量子位传输到节点206、206'。这些传输的量子位可以在嵌入用于链路210、210'的任何(一个或多个)经典信道或与其分离的量子信道中发送，这些信道使用传输纠缠量子位的各种系统和方法。纠缠生成器204可以是电子的并且可以生成以电子方式被传输的纠缠的电子量子位。纠缠生成器204也可以是光学的。例如，纠缠生成器204可以是生成纠缠的光子的纠缠的光子源。这些光子通过包括传输纠缠的光子的光纤的链路210、210'被发送。这些链接也可以是自由空间。节点206、206'包括量子纠缠的高速缓存208、208'，用于在每个节点206、206'处存储和检索纠缠的量子位。实际系统将适当地平衡纠缠的比特在纠缠的特定相干半衰期中被生成和消费的速度。
47.量子纠缠的高速缓存208、208'可以包括用于确定每个节点处的量子位的相干性的机制。相干性是纠缠程度的度量。在一些实施例中，这种机制包括具有某种丢弃机制的相干检测器。在一些特定实施例中，这种机制具有关于相干半衰期的可靠统计的知识并且使用许多不同类型的纠错编码中的至少一种。量子位可以在老化(age-out)之后被丢弃，例如在已知的半衰期之后，或者可替代地基于已知的错误率或错误条件的老化。在一些实施例中，这两种机制都被使用。一些实施例依赖于纠缠纯化，其使用对相邻量子位的数量n的测量来以高概率确定给定量子位被纠缠。因此，可以使用各种机制来确定作为纠缠的系统一部分的一个或多个量子位的相干性。
48.量子纠缠的高速缓存208、208'还包括同步机制，所述同步机制确保在各个节点206、206'处使用匹配的量子位对或集合。例如，同步可以与高速缓存中量子位的特定已知次序相关联，该特定已知次序与另一个节点中量子位的另一个次序相关联或配准。在一些实施例中，同步机制是有序的高速缓存。在一些实施例中，同步机制使用经典的信道信息交换。例如，两个不同节点中量子位的次序可以随着次序改变而被交换和更新。而且，在一些实施例中，节点经由可以支持量子通信和经典通信之一或两者的通信信道212被连接。这个信道212可以与将光子传输到高速缓存208、208'的链路210、210'相同或不同。
49.图3图示了根据本教导的量子纠缠的高速缓存的实施例的框图。量子位从量子信道304和/或组合的量子-经典信道306供应给量子位加载器302。所供应的量子位被录入到量子位存储库308中，该量子位存储库是量子存储库。量子位存储库308是物理存储系统，它以预定的可接受程度保持和维持有序量子位的纠缠和相干性。因此，量子位存储库308一般将来自加载器302的量子位状态接受到可以以有序方式维持量子位的相干性和纠缠的物理机制中，使得卸载器310可以访问该状态并将该状态供应给应用312。量子位存储库308在图
3中被示为先进先出(fifo)结构，使得(到高速缓存的)最年轻的量子位位于量子位存储库308的底部时隙314处，而最老的量子位位于顶部时隙316处，以便最老的量子位将下一个可供应用于应用312。应当理解的是，术语“顶部”和“底部”是用于描述本教导的相对术语，但可以代表或可以不代表实际的量子位存储系统。例如，本领域技术人员将认识到的是，量子位存储库308可以以多种方式实现，诸如用简单的光纤延迟线，其中光子量子位进入延迟线并且将首先离开延迟线以便被连接到存储库的应用使用。在各种实施例中，量子位加载器302和/或量子位卸载器310可以包括例如无源耦合器/分路器、量子开关、光学开关、量子波长转换器、量子中继器和/或量子状态转换器。
50.本教导设想了多种类型的存储系统。量子位存储库308的各种实施例可以具有各种物理实施方式和操作。这包括例如光纤环路，包括分层光纤环路，它可以实现加载的光子量子位和未加载的光子量子位之间的各种输入-输出关系。例如，可以实现fifo、后进先出(lifo)或其它交叉存取体系架构。此外，多种类型的存储器设备(诸如基于离子或原子的存储器设备)都适合用作随机存取存储器设备，因为时隙可以与例如晶格或支持特定量子系统的其它有序物理布置上的位置相关联。例如，时隙可能与金刚石晶格中氮空位的位置相关联。因此，本教导的量子纠缠的高速缓存与多种存储结构兼容，包括随机存取存储结构和堆栈型存储结构(诸如fifo和lifo)。
51.经典数据加载器318从经典信道320和/或可选地从组合的经典-量子信道306获取数据。经典数据加载器318将与特定量子位相关联的数据加载到经典存储库322中，该经典存储库322保持并维护与特定量子位相关联的经典数据。经典存储库322是可以是易失性或非易失性存储器的常规计算机存储器，其可以采用计算机硬件领域中众所周知的多种形式。数据卸载器324可以将与特定量子位相关联的经典数据提供给应用325，使得该应用随后能够在该应用中有效地使用关于该量子位的状态的任何后续信息。后续信息包括例如通过处理量子逻辑元件中的量子位、对量子位进行状态坍缩诱导(非单一)测量操作和/或不坍缩量子位状态的对量子位进行的测量而获得的信息，其中不坍缩量子位状态，反而提供关于量子位的状态或其它量子位特性的信息。因此，本教导的系统和方法的一个方面是量子纠缠的高速缓存300保持和维护与量子位相关联的经典数据，并将该数据提供给更高层应用以帮助量子位的应用处理。
52.量子纠缠的高速缓存300包括连接到量子存储库308和经典存储库322的保真度系统326。保真度系统326可以识别和移除或以其它方式拒绝坏量子位，诸如时隙327中的坏量子位。例如，这将包括已经或即将坍缩和/或已经失去某些预定保真度、纠缠和/或相干特性的量子位。保真度系统可以标记坏的量子位，以通知用户它是坏的。应当理解的是，保真度系统326以及量子高速缓存300的相关联的配置可以被配置为与量子位群一起操作，并且不一定以确定性方式在单个逐量子位级别上操作。即，表示单个量子位状态的量子位的组是预期的，并且量子位状态由对整体的测量来表示。在这些系统中，预先确定的保真度级别将基于整体被预期。保真度、纠缠和/或相干特性可以是非确定性的，并由概率和/或其它统计度量表示。
53.可以通过保真度系统326将量子纯化技术应用于这些集合。一般而言，保真度系统负责将存储库中的量子位或量子位集合维持在已知的良好保真度级别，以便随后将那个量子位状态提供给应用312，并且还负责根据需要更新那个量子位的相关联的经典数据与关
于保真度的信息。保真度系统326可以物理地从存储库中移除坏量子位，或者防止坏量子位被卸载和/或基于相关联的经典数据信息随后被使用。
54.在一些实施例中，量子位卸载器316连接到应用328。该应用可以包括量子测量系统(未示出)。在这些实施例中，量子测量系统确定量子位卸载器中的量子位的状态，并且这个状态值由应用使用。例如，状态值可以与由远程高速缓存中的另一个量子位的测量所确定的状态值相同，其中远程高速缓存中的另一个量子位与量子位卸载器中的量子位纠缠。
55.在一些实施例中，应用328包括使用所存储的量子状态信息的量子处理器系统(未示出)。量子处理器可以包括对量子状态执行单一和/或非单一变换的各种量子逻辑元件。例如，cnot、hadamard和/或pauli-z/或pauli-x/或pauli-x和pauli-z和/或可以由应用328执行的测量。
56.在本教导的系统和方法的一些实施例中，量子位卸载器310和数据卸载器324经由应用328连接到可选的通信信道330。信道330可以经由分离的或组合的信道支持量子通信或经典通信中的一种或两种。信道330允许应用328将分离的量子纠缠的高速缓存300连接在一起以共享或者量子信息或者经典信息。信道330可以被用于直接从一个或另一个分离的量子纠缠的高速缓存中的量子位卸载器交换量子位和/或由连接到信道和一个或另一个量子高速缓存中的量子位卸载器324的量子逻辑元件处理的量子位。
57.图4图示了示出根据本教导的量子纠缠的高速缓存的高速缓存结构的表格400的实施例。表格400中所示的高速缓存结构包括用于经典信息和量子信息两者的字段。例如，提供索引字段和年龄字段。该索引将经典数据的特定项(例如，各种元数据)与多个量子状态中的特定量子状态相关联。还有用于描述哪些节点保持量子位与之纠缠的量子位的字段。可以有用于其它参数的字段，例如，量子位的类型、量子位的半衰期、量子位错误率、量子位访问时间和其它参数。可以包括保真度信息。经典信息被标记，换句话说，被索引到驻留在高速缓存中的特定量子位，并且当量子位存储在高速缓存中时，还根据需要被维护和更新。
58.本教导的系统和方法的另一个特征是它适应以下事实：由不同物理表现形式生成的量子位具有不同特性并提供可以是经典信息的一部分的不同参数。例如，一些物理量子位可以存储很长时间、一些物理量子位比其它物理量子位保存纠缠的时间更长、一些物理量子位易于访问和使用、而其它物理量子位要求更复杂和耗时的访问方案。这些不同的物理量子位表现形式可以具有不同的相关联的经典信息，这些信息适用于那些特定量子位表现形式的物理特性。不同物理量子位的质量会影响高速缓存的设计。作为一个示例，根据本教导的量子纠缠的高速缓存的一些实施例使用分层的高速缓存系统。
59.图5a图示了根据本教导的多层量子存储器500的实施例的示意图。多层量子存储库500具有顶层502和底层504。在这个示例中，顶层502表示访问时间相对快但存储时间相对短的存储系统，其中底层504表示访问时间相对慢但存储时间相对长的存储系统。在一些实施例中，顶层502可以是保持光子量子位的光纤环路缓冲存储系统。这些光子量子位可以是单光子量子位、频率纠缠的光子量子位，或者可以是偏振编码的量子位。在一些实施例中，底层504是原子量子位存储系统。这个底层504可以包括多种已知原子量子位中的任何一种。首先使用顶层502。这是因为顶层502提供对量子位的低时延访问，尽管量子位保持纠缠的时间更短。底层504被用于系统可以支持更高时延访问的情况。在根据本教导的一些实
施例中，当时间允许时，底层将量子位转移到顶层，从而优化用于特定应用的时延和纠缠半衰期之间的权衡。底层量子位在更长的时间内保持纠缠。例如，光子量子位一般难以长时间保持，但易于访问，因此访问时延较低。原子量子位可以在更长的时间内维持纠缠的状态；但访问时延较高。光子一般也是丰富的资源，而原子量子位则不那么丰富。本教导的多层量子存储库500基于物理量子位的个体特点适当地管理和分配物理量子位。因此，本教导的量子高速缓存的一个关键好处是它们提供了一种机制，该机制允许经典系统有效地利用来自具有共同接口和/或表示的不同量子物理系统的量子状态和/或量子特性。
60.各种已知的光纤缓冲器可以被用于短期存储、延迟或缓冲携带量子状态的光子。例如，光纤环路缓冲器、诸如光纤布拉格腔体之类的各种光学腔体、慢光系统。各种非线性(例如，四波混频)方案可以被用于产生穿过光纤的(一个或多个)量子光子的各种短、长和/或可控延迟。重要的是，对于本教导的系统和方法，光纤缓冲器的各种已知属性(有源和无源)产生缓冲器的预定延迟特性，因此有义务作为经典信息的一部分以便用输入到缓冲器的光子中的一个或多个进行标记。
61.光纤缓冲器特别适合作为量子存储系统的顶层502。作为一个示例，在本教导的一些实施例中，物理存储系统的顶层502包括具有可调延迟的光纤缓冲器。参见例如st
é
phane clemmen、alessandro farsi、sven ramelow和alexander l.gaeta，“all-optically tunable buffer for single photons”，opt.lett.43，2138-2141(2018)，其通过引用并入本文。这种缓冲器的一个特征是输入泵激光波长会产生量子编码的光子的延迟。例如，可以通过跨一定波长范围调谐泵送波长来确定性地实现超过几纳秒的延迟范围。因此，特定的(和可变的)延迟信息可以包括在与这些种类的短期光纤缓冲存储器中的量子位相关联的经典信息中。这种缓冲器的另一个特征是输入到缓冲器的光学光子的带宽确定延迟。照此，与量子编码的光子的已知输入光谱相关联的经典信息提供关于在短期存储库中实现的延迟的信息。
62.除了短期存储库(例如，光纤缓冲器)之外，根据本教导，各种已知的基于原子和离子的系统可以被用于构造存储量子状态信息的量子存储库。此外，量子信息可以从光子态转移到原子和离子系统的电子状态。即，由光子携带的量子状态可以以电子态存储在各种离子和原子中，以实现这些更长期的量子存储系统并且还作为光子从系统中读出并被检测。存储在基于原子和离子的存储器中的量子状态也可以直接在电子域中被读取(测量)。
63.存在许多用于实现量子原子存储器的已知协议，包括例如可以被用于根据本教导的量子高速缓存的电磁感应透明度(eit)、可逆非均匀展宽(crib)和原子频率梳(afc)。参见例如heshami k、england dg、humphreys pc等，“quantum memories:emerging applications and recent advances”，j mod opt.63，2005-2028(2016)，其通过引用并入本文。虽然随着技术的发展，这种情况预计会改变，但人们一般认为，基于光纤的缓冲器中的损耗会将存储时间限制在几十微秒以内。另一方面，原子系统，特别是冷原子系统，可以在数秒或更长的时间尺度上保持量子状态。这些数字只是说明性的，并不旨在以任何方式限制本教导，但它们用于说明需要高速缓存的不同层来支持广泛的存储和访问时间。
64.原子存储器特别适合作为量子存储系统的底层504，因为它们一般表现出更长的存储时间。作为一个示例，在本教导的一些实施例中，物理存储系统的底层504包括基于冷原子的光学量子存储器。参见例如y.-w.cho、g.t.campbell、j.l.everett、j.bernu、
d.b.higginbottom、m.t.cao、j.geng、n.p.robins、p.k.lam和b.c.buchler，“highly efficient optical quantum memory with long coherence time in cold atoms”，optica 3，100-107(2016)，其通过引用并入本文。这种存储器的一个特征是它高效地吸收光子，并且还具有低去相干性。在这些系统中，光学量子状态被加载到由施加的磁场梯度制备的冷原子气体中，因此光谱分量在梯度上被编码。施加的磁场的受控反转从气体中生成光子回波，该回波表示输入光学光子的量子状态。在这些系统中，存储时间是输入控制脉冲持续时间的函数。冷却气体的能力影响去相干时间。因此，存储器实施方式的已知和可控参数(例如，光学控制功率和光学带宽、施加的磁场、读出脉冲能量带宽等)与存储器量子性能度量(诸如存储时间、读出时间，去相干等)直接相关。不管特定的原子存储器协议如何，因此有可能用相关联的经典信息来标记存储的量子状态，这允许独立于存储器的特定物理实施方式来控制量子高速缓存系统。
65.应当理解的是，本文描述的量子存储物理系统只是可以在本教导的方法和装置中使用的量子存储库的一些可能的具体示例。基于物理存储系统的特定特性和协议，各种已知的量子光学缓冲和存储器方案具有与存储的量子位的特性相关联的特定经典信息。例如，可以标记诸如延迟、存储器深度、存储时间、加载时延和/或卸载时延之类的操作参数。此外，还可以标记各种损伤，诸如各种损耗、去相干机制、移相效应、附加背景和各种其它影响量子状态的非线性损伤。此外，随着用于物理量子存储的系统和方法的成熟，经典信息的种类将改变和增长。本教导的方法和装置的特征是使用抽象层，该抽象层适应底层物理系统的预期改变和成熟。因此，多层量子存储500的实施例不仅可以与本文提供的一些示例物理系统一起使用，而且还可以与其它已知的和未来出现的物理量子存储系统一起使用。换句话说，本教导不受特定类型的量子存储系统的限制。
66.图5b图示了根据本教导的包括具有用于多层量子纠缠的高速缓存的元数据的物理结构的高速缓存550的实施例。高速缓存550包括软件/信息和硬件两者。存在量子元件552和经典元件554。保真度系统包括连接到长期量子存储库558和短期量子存储库560中的物理量子位的量子相干引擎556。长期量子存储库558中的物理量子位可以是例如原子存储器中的原子量子位。长期量子存储库558中的物理量子位可以是电磁感应透明原子量子存储器。长期量子存储库558中的物理量子位可以是各种其它种类的已知长期量子存储器中的任何一种。在本教导的方法和装置的各种实施例中，长期存储器具有名义上为几十微秒、几毫秒、几秒或几十秒的半衰期。短期量子存储库560中的物理量子位可以是例如光纤环路存储器中的光子量子位。短期量子存储库560中的物理量子位可以是单氮空位中心量子存储器。短期量子存储库560中的物理量子位可以是各种其它种类的已知短期量子存储器中的任何一种。而且，在本教导的方法和装置的各种实施例中，短期存储器具有名义上为纳秒到微秒的半衰期。选择量子存储器系统的其它重要因素包括例如读出机制、量子保真度、存储效率、时间带宽乘积、稳定性和噪声，仅作为一些具体示例。
67.量子相干引擎556使用纯化或某种其它非测量监视技术来检查短期和长期存储库558、560中的量子位以询问它们的相干级别。这一切都发生在高速缓存的量子侧552。当相干引擎556决定量子位是坏的时，它然后通过经典信道通知发送到纠缠的量子位的所有其它高速缓存，使得那些节点不使用那些量子位。高速缓存550使用高速缓存550的经典部分554中的纠缠图信息562来确定必须向哪些节点通知已超时的量子位。
68.在一些实施例中，当量子位由于超过其寿命而被引退时，整个高速缓存就像处理器中的堆栈一样弹出。顶部的量子位是最老的，并且最有可能变坏，但如果高速缓存的中间的某物超时或被确定为不相关或纠缠，那么其下方的量子位会向上移动(弹出)一步。当从高速缓存中拉取量子位并作为任何算法的一部分进行测量时，那个量子位会变得陈旧。所有其它节点高速缓存也需要知道这个信息。每个高速缓存可以通过例如独立测量寿命来自行确定这个信息，或者在一些实施例中可以向高速缓存提供这个信息，就像在过期或超时的量子位的情况下，经典信道通信协议过程被用于这个通知。在堆栈模型中，您只需要与索引列564中的索引编号保持同步，因为您知道量子位正在朝着堆栈的顶部移动。
69.在一些实施例中，一旦量子位达到预定的年龄阈值t，它们失去相干性的概率就相对高。经典的年龄定时器对这个时间保持跟踪，并可以自动移除老化的量子位。在高速缓存的老化定时器566列中保留每个量子位的t值，以与每个量子位或相同类型的量子位的组相关联。这是高速缓存550的经典部分554。可以有两个物理年龄定时器，例如，一个用于长高速缓存，一个用于短高速缓存。这在一些系统中是有用的，因为长原子高速缓存可能有更长的半衰期。使用年龄定时器的优点是，如果所有节点都同意定时参数，那么消息是不必要的，并且不要求经典通信来指示量子位是否变坏(丢失的是量子状态信息)。在这些特定示例中，所有节点都被同步并且将在相同和/或适当的时间移除老化的量子位。
70.在根据本教导的方法和装置的一些实施例中，一切都停留在长期存储库558中，直到它接近堆栈的顶部。然后，量子位被转移到短期存储库560，以便它们可供立即使用。然后，如果量子位在短期存储库560中停留的时间过长，那么年龄定时器将关闭并且它们将被丢弃，并发送经典消息以通知其它节点向上移适当的堆栈。
71.本教导的量子高速缓存的另一个特征是它们可以与许多联网的应用结合使用。返回去参考图3，在(各种)网络中的多个节点上运行的众多应用328可以在每个节点中从量子存储库308和/或经典存储库322接收用于应用312的量子位和/或用于应用325的相关联的经典数据。下面描述一些示例多节点应用。
72.图6a图示了根据本教导的使用纠缠的高速缓存的总线网络600的实施例。总线网络600只是一个特定示例。应当理解的是，可以实现其它网络体系架构。数量为n的节点602、602'、602”连接到经典信道604。每个节点602、602'、602”都有纠缠的量子位高速缓存。高速缓存由纠缠服务器(未示出)供应。量子位在节点的每个集合之间成对组织。因此，节点1 602具有与节点n 602'纠缠的一“列”量子位，并且节点1 602具有与节点2 602'纠缠的另一“列”量子位，以此类推。
73.结合类以太网协议描述使用量子高速缓存进行寻址。但是，应当理解的是，根据本教导的使用纠缠的高速缓存寻址的网络不限于此。在结合图6描述的特定示例中，节点1 602想要将分组发送到节点n602”。节点1 602广播分组，该分组包含经典以太网信道604上的地址字段。为了确定地址字段的内容，节点1从其高速缓存中的节点n列中采样m个量子位并生成随机的结果数字。节点n 602”在其高速缓存中具有这m个量子位中的每一个的纠缠的对。节点1 602在经典以太网上发送采样的结果。节点n 602”从其高速缓存中采样纠缠的对并生成结果随机数，该随机数将匹配来自节点1的随机地址字段。节点n 602”匹配在经典信道上接收到的随机数以知道分组是针对节点n的。
74.所有其它节点，诸如节点2 602'，也在用于节点1 602的列中对它们的量子位高速
缓存采样m个量子位，以查看分组是否寻址到它们。节点2 602'没有与由节点1 602提供并经由经典信道接收的随机数匹配。照此，测得的随机数表示量子源-目的地对地址。匹配为错误匹配的概率是1/e，其中e是下面进一步描述的错误率。
75.图6b图示了示出用于本教导的多节点网络的纠缠的量子位高速缓存的结构的表格650。在表格650中，n是要求sqrt(n)位的地址空间的尺寸，i＝n+e，其中1/e是要求sqrt(e)位的可接受错误概率(比率)。在给定的错误率下，总地址空间所需的总量子位＝sqrt(i)。
76.结合图6a-b描述的节点602、602'、602”中的纠缠的量子高速缓存的操作基于寻址应用，但是许多其它应用可以根据本教导在网络配置中使用共享的纠缠。本文提供了附加应用示例。
77.图7图示了根据本教导的使用纠缠的量子高速缓存702的启用量子的信息系统700的实施例的框图。经由通信信道706的量子部分从纠缠服务器704向量子高速缓存702供应纠缠的量子位。量子高速缓存702向应用708供应有序和标记的纠缠的量子位。量子高速缓存702还可以向应用708供应关于特定关联的有序标记的量子位的相关联的经典信息。量子高速缓存702由处理器710控制。处理器710控制量子高速缓存702中的保真度系统712、量子位加载器714和经典数据加载器716。处理器710还控制量子高速缓存702中的经典存储库718和量子存储库720。处理器710与应用708通信，从而它可以命令量子卸载器722和经典卸载器724在期望的时间向应用708供应纠缠的量子位和相关联的经典数据。可以选择期望的时间以确保在两个不同节点处供应的纠缠的量子位共享纠缠状态，从而允许两个远程节点共享相关的状态信息。期望的时间可以是按需的。可以预先确定期望的时间。期望的时间可以基于量子状态的寿命。期望的时间可以基于生成量子状态的时间。期望的时间可以基于应用需求。例如，各种实施例中的应用可以访问特定的共享纠缠的状态。而且，例如，各种实施例中的应用可以访问特定类型的量子状态。而且，例如，各种实施例中的应用可以访问量子状态的特定基础。而且，例如，各种实施例中的应用可以访问量子状态的特定保真度。而且，例如，在各种实施例中，应用可以基于纠缠特性、量子状态的基础、量子状态的保真度、量子状态的到达时间、量子状态的源、量子状态的年龄、量子状态的半衰期、量子状态的诞生时间、量子状态的飞行时间和/或量子状态的类型中的至少一个来访问量子状态。
78.图8图示了根据本教导的利用与应用804交互的纠缠的量子高速缓存802的应用系统800的实施例的框图。处理器806向应用804发送和接收应用命令。处理器806将量子高速缓存管理命令发送到量子存储库808。处理器806还将经典高速缓存管理命令发送到经典存储库804。
79.本教导的一些实施例利用支持易于使用的用于应用编解码器的接口的抽象层。这被称为经典应用接口(capi)。抽象层在capi和量子系统之间进行翻译(translate)。抽象层使用、解释和/或生成与量子状态相关联的经典数据中的至少一些。
80.量子设备的量子力学性质为设备的底层行为增加了另一个级别的复杂性，这些行为为信息系统工程设计提供了有用的量子功能性。大多数工程师和科学家都接受过因果牛顿系统的基本编程的训练。作为参考，全球大约有1600名量子物理学家，但全球有超过2000万软件专业人员。为了使量子力学系统被广泛采用，它们必须易于由受过经典训练的软件专业人员使用。经典的应用接口在这些世界之间进行翻译。capi的优点是允许任何编解码
人员将量子系统作为黑匣子应用。编解码人员不必知道量子系统是如何工作的，只需要知道量子系统表现如何。capi在软件开发人员看来是他们选择的编程语言中熟悉的函数结构。以下是说明capi以及它如何在与应用接口的纠缠的量子高速缓存中工作的一些示例。这些示例是说明性的，并不全面。
81.cache_pointer识别特定的量子高速缓存808，从而允许在单个节点中使用多个高速缓存。图8中仅示出了一个节点，但可以理解本教导适用于任何数量的节点。qubitpointer识别高速缓存中的特定量子位及其相关联的元数据。node识别特定的节点。channel(未示出)允许来自单个节点的多个连接。
82.高速缓存管理函数包括：1)integer＝get_qubit_count(cache_pointer)，其指示高速缓存中有多少量子位；2)integer＝get_long_term_qubit_count(cache_pointer)，其指示有多少个量子位是长期量子位；3)integer＝get_short_term_qubit_count(cache_pointer)，其指示有多少个量子位是短期量子位；4)random lnteger＝sample_qubit(cache_pointer,qubit_pointer)，其指示样本/坍缩到经典；5)time＝get_qubit_age(cache_pointer,qubit_pointer)，其指示量子位的年龄；6)array(n)＝get_qubit_entanglement_map(cache_pointer,qubitpointer)，其指示哪些量子位被纠缠；以及7)localcachepointer＝put_entangled_qubit(cache_pointer,qubit_pointer,node)，其将纠缠的量子位放在另一个节点上。这个函数将纠缠对的一个成员放在另一个节点上。应当理解的是，与高速缓存管理功能相关联的特定调用是出于说明性目的而呈现的，并不旨在以任何方式限制本教导。
83.一般而言，利用与应用804交互的纠缠的量子高速缓存802的应用系统800将包括处理器806，该处理器806能够向应用804发送和接收应用命令，该应用对于受过传统训练的软件工程师和软件开发人员来说易于使用。例如，抽象层限制了控制量子存储库808和经典存储库810所需的详细信的息量，这些详细信息被传递到由应用804生成的应用命令，如本文提供的示例中所示。
84.在一个特定示例中，应用804是结合图9的描述更详细描述的量子私有地址应用。在这些实施例中，应用命令包括secret address＝get address(node x)，其指示在其它节点看来随机的经典私有地址是什么。
85.在其它具体实施例中，应用804是超密集编解码应用，其在下文结合图10-12的描述被更详细地描述。在这些实施例中，应用命令包括：1)send(transmit_data,channel_number)，其指示发送；2)receive_data＝received(channel_number,node)，其指示接收；3)integer＝get_entangled_count(node_address)，其指示检查高速缓存深度；4)allocate_quantum_channel(percent,channel_number)，其分配用于发送量子位的信道的百分比。
86.用于超密集编解码应用的经典应用接口的实施例将包括以下命令。对于发送者：1)establish_link(5,10)，它命令在发送者和接收者之间共享纠缠的量子位；以及2)send(“hello”,5,10)，其命令要发送“hello”。对于接收者，命令包括：“hello”＝received(5,10)，其指示接收到“hello”。对于处理器，命令包括：1)107＝get entangled count(lo)，其指示我们只剩下107个纠缠的量子位，因此需要分配更多的信道来交换纠缠的量子位；2)allocate_quantum_channel(50,10)，其分配50％的信道来构建纠缠的高速缓存；3)1025＝
get_entangled_count(10)，其指示我们现在有1025个量子位；以及4)allocate_quantum_channel(5,10)，其命令将分配减少到5％。
87.本教导的纠缠的量子高速缓存的一个特征是它们可以支持各种经典、半经典和纯量子应用。下面提供几个示例应用。
88.由本教导的量子纠缠的高速缓存支持的一个应用是为分布式信息系统提供共享节点元数据。在这个应用中，纠缠的量子位高速缓存中的量子位为各种不同的经典分布式信息系统中的一个或多个提供元数据。由本教导的量子纠缠的高速缓存提供的共享节点元数据可以支持多种协议，这些协议可以提供例如在节点对和/或节点组之间共享的寻址、定时、位置和其它信息。
89.图9图示了使用纠缠的高速缓存来提供本教导的共享节点元数据的分布式系统900的实施例。通信信道902连接多个节点904、906、908、910。通信信道902通过多种手段中的任何一种支持量子通信和经典通信两者。在这个实施例中，m个纠缠的量子位的对存储在各个节点中的高速缓存中。例如，如通过图912所示的，节点a 904和b906共享m个纠缠的量子位。如通过图914所示的，节点a 904和x908共享m个纠缠的量子位。如通过图916所示的，节点x 908和z910共享m个纠缠的量子位。这些m对量子位的各种集合被适当地标记并存储在每个节点904、906、908、910中的高速缓存(未示出)中，使得它们可以被节点904、906、908、910中的处理器访问以用于处理和/或测量以实现期望的协议。各种m个纠缠的量子位可以由纠缠服务器(未示出)在通信信道902上或通过不同的手段分布。一些协议将通过通信信道902交换来自高速缓存的未加工的或经处理的量子位，但其它协议将不要求量子位的任何交换来运行。
90.分组918包括量子地址和数据。在一些实施例中，量子地址是由发送方节点生成并由潜在接收者节点接收的随机数。随机数表示一个量子源-目的地对地址。接收者节点测量与特定节点纠缠的量子位，以生成表示用于那些特定节点的源-目的地地址对的随机数。例如，与节点a纠缠的量子位由节点测量以确定接收到的分组是否来自节点a。如果分组918的量子地址中的随机数与在特定的接收节点中通过纠缠的量子位的测量生成的随机数匹配，那么分组中的数据是针对那个接收节点的。
91.以下是节点a 904和节点b906之间的元数据交换的示例。节点a 904测量已知与节点b纠缠的m个量子位中的每一个并生成表示地址的随机数。这个随机数与一些数据一起在分组918的量子地址字段中经典地发送。节点b 906测量已知与节点a 904纠缠的m个量子位中的每一个以生成随机数。节点b 906接收分组918，并将接收到的随机数与生成的随机数进行比较。如果存在匹配，那么数据是从节点a 904针对节点b 906的。
92.本教导的另一个特征是利用根据本教导的方法和装置产生的量子元数据可以被用于防止任何人知道节点的哪个源-目的地对是利用量子密钥分发保证级别来寻址的。这是因为量子纠缠的高速缓存使两个或更多个节点能够共享随机数“秘密”，而无需交换任何经典数据。
93.一般而言，这种特征可以应用于多种寻址方案中的任何一种。例如，地址可以是网络地址、存储器位置、数据库索引、地理地址、电话号码和许多其它标识符中的一个或多个。期望将数据放置在任何其它实体上或与之通信的任何实体都拥有数量为n的纠缠的量子位，具有由其它实体拥有的相关联的其它配对的纠缠的量子位。通常选择数字n以使其足够
大以最小化地址冲突。
94.根据本教导的一个示例寻址方案是将量子元数据应用于量子以太网(广播信道)，其中地址是纠缠的量子位，如结合图9所述的。在这种寻址方案中，如果节点a 904具有针对节点b 906的分组，那么节点904使用n个叠加的量子位进行编码，这些量子位与节点b 906中的量子位排序并纠缠在一起。该分组包括来自节点a 904的量子地址和数据。每个人都接收到分组。在测量之前，节点904、906、908、910都不知道它们的特定地址。当节点进行测量时，它们生成随机数。然后，节点a 904经由经典广播将随机数发送到所有节点906、908、910。如果随机数与进行测量时在节点中生成的随机数一致，那么分组是针对那个节点的。因此，随机数表示量子源-目的地对地址。
95.这种方法的特征是窃听者不能确定数据被定向到哪个节点，窃听者也不能确定传输数据的节点。除了共享数据的源和目标对，随机数广播通常不会透露任何信息。如果量子纠缠的对由被测量和/或欺骗的第三方操纵，那么这些测量和/或欺骗动作可使用纠缠服务器和高速缓存之间的量子密钥分发协议来检测。换句话说，如果有人试图确定源目的地对，或欺骗源和/或目的地，那么该动作将破坏随机数的相关性。这个特征使寻址方案对欺骗绝对私有，这对于许多应用来说是非常期望的。
96.作为根据本教导的地址的另一个示例，考虑包括一个发送者和两个接收者的简单的三节点网络。例如，这个三节点网络包括图9的节点a 904、b 906和节点x 908。不同于现有技术经典寻址方案中的确定性，根据本教导的寻址方案类似于散列冲突(hash collision)。但是，如果高速缓存中的量子位的数量m远大于地址空间，那么节点可以使数据被发送到错误实体的概率非常小。对于三节点网络，每个节点只有一个纠缠的量子位，量子位最终可以以50％的概率被测量为0或1。使用五个量子位来处置两个地址，所有三个节点获得相同随机数的机会非常小，(1/2)5。为了获得例如(1/10)7的地址错误率，那么需要20+n个量子位，其中n表示被覆盖的地址空间。使用二十一个量子位产生(2,000,000)-1
的错误率，并且使用二十二个量子位产生(4,000,000)-1
的错误率，依此类推。照此，每个地址使用的量子位的数量可以明显大于经典地址位的数量。
97.一般而言，本教导的量子纠缠的高速缓存系统和方法允许节点在它们需要与之通信的任何其它节点之间共享纠缠的量子位。在各种实施例中，数据被经典地广播，或者也可以在量子信道上发送。如上所述，纠缠可以是n路纠缠，并直接从单个服务器向n高速缓存馈送m个量子位。m个量子位的纠缠可以包括k个维度。可以使用量子密钥交换来保护数据和/或通过已知的经典手段加密数据。地址信息是通过测量量子纠缠的高速缓存中所选择的量子位来提供的。发送方进行测量并生成随机数，这个数字与数据一起广播。接收者还测量所选择的量子位以生成随机数，并将该数字与网络上分组的地址中接收到的数字进行比较。当两个随机数匹配时，可以断定数据是针对那个节点的。
98.在具有参与这种方案的n个节点的网络中，每个节点都需要与每个其它节点纠缠的成对的量子位的集合。每个发送者选择那些成对的集合中的一个来寻址期望的节点以进行通信。在一些实施例中，每个节点需要2
(n-1)
对纠缠的集合以便能够寻址具有n个节点的网络中的每个其它节点。接收者需要测量这些成对的集合中的每一个，以与经典发送的发送者地址进行匹配。并且每个集合至少需要有n个量子位。
99.在一些实施例中，接收者可以一次一位地进行测量。因此，例如，将广播的第一位
与每个集合中的第一个量子位进行比较。从统计上看，这应当消除1/2的潜在发送方。然后是第二个量子位，从而消除下一个1/4，以此类推。以这种方式，接收者只需要做n+(n-1)+(n-2)+.....＝2n(n-1)次比较。接收者错误识别不打算发送给接收者的消息的可能性是1/2n。随着地址空间的增加，被错误识别的消息的概率降低。寻址中的错误率可以通过增加地址空间来进一步降低，这使地址空间更加稀疏。例如，对于2m个节点使用2n的地址空间，其中n》m，寻址的每个额外的位都将错误率降低1/2。
100.本教导的一个特征是接收者通过执行协议实际上获得了两条信息。首先，接收者知道该消息是针对该特定接收的。其次，接收者知道信息的源的地址。
101.根据本教导的一些系统可以以下列方式用于网络初始化。该方案被用于开发经典地址的集合，这是测量的广播结果。除了对于预期的接收者之外，这些经典地址对所有人来说似乎都是随机数。因此，发送者发送带有地址头的经典分组，该地址头实际上是由这种方案确定的随机数。接收者学习使用经典逻辑来查找那个数字，这实际上等同于源地址和目的地地址，但对于每个其他人来说看起来是随机的。
102.本教导的另一个特征是有可能用安全性来换取寻址开销。在本教导的一些实施例中，节点基于安全需要决定多久刷新一次地址(重新初始化)。为了非常安全，为每个分组刷新地址。不太安全的实施方式只在选定的时间间隔进行刷新，就像更新密码一样。
103.而且，根据本教导的一些系统使用寻址系统，该寻址系统使用本文描述的量子纠缠的高速缓存，其通过以共享秘密开始来提供隐私。每个节点对，也称为源-目的地对，在初始化时共享秘密。该秘密是m位的数字，其中m位是地址空间的尺寸。重要的是要注意这是针对节点的对，而不是针对单个节点。对于想要拥有私有源目的地地址的每一对，必须存在m位的数字。再次参考使用图9的纠缠的高速缓存的分布式系统900，当节点a 904想要与节点b 906讲话时，节点a 904测量与节点b 906的高速缓存中的m个量子位纠缠的m个量子位。节点b 906还测量与节点a 904中的m个量子位纠缠的m个量子位。
104.然后节点a 904对测得的量子位的值与共享秘密进行逐位经典异或(xor)，并通过信道902将被xor的样本的结果经典地发送到节点b 906。只有节点b 906具有共享的成对秘密。节点b 906对测得的量子位的值执行相同的xor操作，因此它正在寻找看起来仍然是随机的相同数字。其它节点(诸如节点x 908)没有成对秘密，因此不能对量子地址做任何事情。如果节点x 908或其它节点以某种方式能够捕获以节点b 906为目的地的纠缠的位，那么它们不能伪造节点a 904的身份，因为它们缺乏执行xor的共享秘密。
105.在根据本教导的一些方法中，通过以下方式使用量子秘密翻滚来刷新密钥以防止具有静态密钥(或秘密)。在任何时候，节点对(例如，节点a 904和节点b 906)都可以进入它们相应的纠缠的高速缓存并再次采样(即，对高速缓存中的m个量子位执行测量)。在一些实施例中，这个过程在每条消息之后发生。该测量结果(样本)可以与原始秘密进行xor。结果可以成为新的或翻滚的秘密，其可以被用于后续消息。这个新的或翻滚的秘密也可以被称为量子签名并且是本教导的一个方面。
106.根据本教导的量子纠缠的高速缓存系统的另一个应用是量子超密集编解码的实施方式。超密集编解码是一种强大的量子通信方案，与经典通信信道相比，它允许传输容量增加两倍。这是因为可以使用一个量子位发送两个经典位的信息。根据本教导的量子高速缓存用作用于实现超密集编解码协议的本地资源。
107.图10图示了在发送者1002和接收者1004之间操作的已知量子超密集编解码方案应用1000。两个经典位的信息由发送者1002(为了简单起见，我们将其称为alice)发送到接收者1004(为了简单器件，我们将其成为bob)。这些信息位00、01、10、11在一对纠缠的量子位中的一个上被编解码，该纠缠的量子位由量子位源1006以bell状态准备。一个纠缠的量子位由源1006提供给发送者1002，并且用四个经典信息位之一进行调制，然后发送给接收者1004。另一个未被调制的纠缠的量子位由源提供给接收者1004。通过处理经调制的量子位和另一个纠缠的量子位，接收者1004能够确定发送者1002发送了四个信息位中的哪一个。源1006、发送者1002和接收者1004使用诸如量子cnot 1008、hadamard 1010和/或pauli-z/或pauli-x/或pauli-x和pauli-z 1012之类的运算符。接收者1004对来自发送者1002的经调制的量子位和由源1006提供的纠缠的对的另一个量子位使用测量1014来解码经典信息。
108.图11图示了根据本教导的使用纠缠的高速缓存的超密集编解码系统1100的实施例。发送者503和接收者505可以如上面结合图5所描述的那样操作。高速缓存1104连接到发送者503，并且另一个高速缓存1106连接到接收者505。高速缓存1104、1106连接到纠缠服务器1102。在一些实施例中，这个连接由量子链路1108提供，但应当理解的是，也可以使用许多其它连接手段。高速缓存1104、1106由纠缠服务器1102供应纠缠的量子位对。纠缠服务器用纠缠的量子位填充高速缓存1104、1106。高速缓存1104、1106将适当的相关联的经典信息标记到每个量子位，并且将量子位维持在如本文所述的纠缠的状态。以这种方式，发送者高速缓存1104和接收者高速缓存1106被填充。
109.由发送者503调制的每个信息位包括从高速缓存中拉取的量子位。在接收器505中解码的每个信息位使用从发送器通过量子信道1110发送的接收到的经调制的量子位，该量子位如结合图5所描述的使用从高速缓存1106拉取的量子位被处理。接收者使用标记到高速缓存1106中的每个量子位的经典信息来确定要拉取哪个量子位并用经调制的量子位进行处理。
110.在一些实施例中，发送者503按次序将运算符应用于量子位并通过量子信道1110将它们发送到接收者505。这些运算符是i：00、x：01、z：10和xz：11。接收者505按次序对于来自高速缓存1106的高速缓存的量子位与从发送者503接收到的量子位执行cnot操作。这个操作之后是hadamard变换运算符，该运算符执行测量以解码由发送者503调制的经典信息位。仅使用一个量子位资源通过链路1110提供两位的经典信息。
111.图12图示了根据本教导的使用纠缠的高速缓存的超密集编解码系统1200的另一个实施例。与结合图11描述的超密集编解码系统1100类似，发送者503和接收者505如上文结合图5描述的那样操作。在这个实施例中，纠缠服务器1202连接到发送者高速缓存1204和接收者高速缓存1206，但是具有与结合图6描述的超密集编解码系统1100不同的体系架构。高速缓存1204、1206由纠缠服务器1202供给纠缠的量子位对，并且量子位被标记以构建高速缓存1204、1206。纠缠服务器1202与传输高速缓存1204和发送者503共同位于一个区域1208中。量子信道710将传输区域708连接到接收者505。纠缠服务器1202使用量子信道710将纠缠的量子位供应给接收者高速缓存706。
112.由发送者503调制的每个信息位包括从高速缓存中拉取的量子位。在接收器505中解码的每个信息位使用从发送器通过量子信道1210发送的接收到的经调制的量子位，该量
子位如结合图5所描述的使用从高速缓存1206拉取的量子位被处理。接收者505使用标记到高速缓存1206中的每个量子位的经典信息来确定要拉取哪个量子位并用经调制的量子位进行处理。发送者503应用运算符依次调制来自高速缓存1204的量子位，然后通过量子信道610将它们发送到接收者505。接收者505按次序对来自高速缓存706的高速缓存的量子位与从发送者503接收的量子位执行cnot操作。接收者505然后执行hadamard操作并执行测量以解码由发送者503调制的经典信息位。结果是仅使用一个量子位资源通过链路1210提供两位的经典信息。
113.在一些实施例中，纠缠服务器1202使用安静信道间隔来用纠缠的量子位填充接收者505处的远程高速缓存1206。在一些实施例中，发送者503在知道期望传输什么数据之前就发送纠缠的量子位。发送者503决定期望发送什么，并且每2位经典数据只发送一个量子位。另一个经典“位”由接收者505使用所传输的量子位和提前得多被发送的纠缠的量子位的组合导出。结果是与非因果行为的通信。
114.应当理解的是，结合图11-12描述的具有纠缠的高速缓存的超密集编解码系统只是本教导的系统和方法的一些具体示例。许多其它体系架构可以植入本文描述的教导。在各种实施例中，编解码系统1100、1200的各种元件可以远程定位或共同定位。元件之间的距离也随着具体的实施方式而变化。例如，在根据本教导的系统的许多实施例中，所有或一些元件可以位于相同的背板、卡、盒子、机架或房间。而且，在根据本教导的系统的许多实施例中，所有或一些元件可以位于从近到远的各种地理区域，包括陆地和基于空间的位置。连接信道可以以多种光子和/或电子手段实现，包括无线和有线信道。
115.虽然本文描述的量子纠缠的高速缓存的示例被高度简化，但高速缓存可以包括来自许多纠缠服务器的量子位，这些纠缠服务器可以被用于各种不同目的以支持不同的服务和处理应用。例如，一个或多个高速缓存可以存储一种或多种类型的量子位，包括不同类型的物理量子位，具有不同的纠缠条件和纠缠伙伴。而且，例如，高速缓存可以在特定时间为特定量子状态提供应用访问。而且，例如，高速缓存可以基于与那个量子状态相关联的特定经典数据和/或在特定时间向应用提供对量子状态的访问。高速缓存可以采用各种配置进行体系架构涉及，诸如fifo、lifo、随机存取以及这些和其它存储体系架构的组合。
116.等同物
117.虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但并不意图将申请人的教导限于此类实施例。相反，如本领域技术人员将认识到的，申请人的教导涵盖在不背离教导的精神和范围的情况下可以在其中做出的各种替代、修改和等同物。

技术特征：
1.一种使用量子状态共享地址信息的方法，该方法包括：a)在源节点处的量子存储库中存储m个数量的第一量子位；b)将标记到m个第一量子位的经典信息存储在源节点处的经典存储库中，该经典信息描述在其中m个第一量子位共享纠缠的量子位的目的地节点；c)在源节点处测量m个第一量子位，并使用测得的m个第一量子位和描述目的地节点的经典信息生成表示目的地节点的地址的随机数；d)从源节点发送分组，该分组在量子地址字段中包括生成的随机数，并且还在数据字段中包括旨在用于目的地节点的数据；e)在目的地节点处的量子存储库中存储m个数量的第二量子位，其中m个第一量子位中的每个第一量子位与m个第二量子位中的相应一个第二量子位纠缠；f)在目的地节点处测量m个第二量子位，并使用测得的m个第二量子位生成随机数；g)在目的地节点处接收发送的分组；h)在目的地节点处将量子地址字段中的生成的随机数与使用测得的m个第二量子位生成的随机数进行比较；以及i)确定在目的地节点处被比较的量子地址字段中的生成的随机数与使用测得的m个第二量子位生成的随机数之间是否存在匹配；以及j)如果确定匹配，那么读取接收到的分组的数据字段中的数据。2.如权利要求1所述的方法，还包括将标记到m个第二量子位中的每个第二量子位的经典信息存储在目的地节点处的经典存储库中，其中经典信息描述在其中m个第二量子位纠缠的源节点。3.如权利要求1所述的方法，其中将标记到m个第一量子位的经典信息存储在经典存储库中包括将标记到m个第一量子位中的每个第一量子位的经典信息存储在经典存储库中。4.如权利要求1所述的方法，其中将标记到m个第一量子位的经典信息存储在经典存储库中包括将标记到m个第一量子位的经典信息作为一个组存储在经典存储库中。5.如权利要求1所述的方法，还包括基于描述在其中m个第二量子位纠缠的源节点的经典信息来确定数据字段中的数据的发送者的身份。6.如权利要求1所述的方法，还包括通过共享指示量子位的节点配对的预定索引来确定数据的发送者的身份。7.如权利要求1所述的方法，还包括确定所存储的m个第一量子位中的至少一些第一量子位的保真度。8.如权利要求7所述的方法，还包括如果保真度低于期望的保真度，那么丢弃所存储的m个第一量子位中的至少一些第一量子位。9.如权利要求8所述的方法，还包括从源节点向目的地节点发送经典信息，该经典信息指示所存储的m个第一量子位中的至少一些第一量子位中的哪些第一量子位被丢弃。10.如权利要求1所述的方法，其中将m个数量的第一量子位存储在量子存储库中包括存储在一段光纤中。11.如权利要求1所述的方法，其中将m个数量的第一量子位存储在量子存储库中包括存储在原子存储器中。12.如权利要求1所述的方法，其中将m个数量的第一量子位存储在量子存储库中包括
存储纠缠在多于一个基本状态中的m个第一量子位。13.如权利要求1所述的方法，其中从源节点发送分组包括使用经典广播信道发送。14.如权利要求1所述的方法，其中从源节点发送分组包括使用量子密钥交换协议发送。15.如权利要求14所述的方法，其中量子密钥交换协议被用于数据字段。16.一种用于在源节点和目的地节点之间共享量子信息的系统，该系统包括：a)纠缠服务器，被配置为在耦合到通信信道的输出端处生成纠缠的量子位和相关联的经典信息；b)源节点，包括：i).量子存储库，耦合到通信信道并被配置为存储m个数量的第一量子位；ii).经典存储库，耦合到通信信道并被配置为存储标记到m个第一量子位的经典信息，其中经典信息描述在其中m个第一量子位共享纠缠的量子位的目的地节点；以及iii).控制处理器，耦合到通信信道并被配置为测量m个第一量子位，使用测得的m个第一量子位和描述目的地节点的经典信息生成表示目的地节点地址的随机数，并发送在量子地址字段中包括生成的随机数并且在数据字段中包括旨在用于目的地节点的数据的分组；以及c)目的地节点，包括：i).量子存储库，耦合到通信信道并被配置为存储m个数量的第二量子位，其中m个第一量子位中的每个第一量子位与m个第二量子位中的相应一个第二量子位纠缠；以及ii).控制处理器，耦合到通信信道并被配置为测量m个第二量子位，使用测得的m个第二量子位生成随机数，接收发送的分组，将量子地址字段中的生成的随机数与使用测得的m个第二量子位生成的随机数进行比较，并且如果确定匹配，那么读取接收到的分组的数据字段中的数据。17.如权利要求16所述的系统，其中通信信道包括广播信道。18.如权利要求16所述的系统，其中通信信道包括自由空间光学信道。19.如权利要求16所述的系统，其中通信信道包括自由空间光学信道和电子信道。20.如权利要求16所述的系统，其中纠缠服务器包括光学纠缠生成器。21.如权利要求20所述的系统，其中光学纠缠生成器包括自发参量下转换光源。22.如权利要求16所述的系统，其中纠缠服务器包括电子纠缠生成器。23.如权利要求16所述的系统，其中源节点和目的地节点中的至少一个量子存储库包括一段光纤。24.如权利要求16所述的系统，其中源节点和目的地节点中的至少一个量子存储库包括原子存储器。25.如权利要求16所述的系统，其中源节点和目的地节点中的至少一个还包括耦合到量子存储库和控制处理器且被配置为识别坏量子位的保真度系统。26.如权利要求25所述的系统，其中还包括保真度系统的源节点和目的地节点中的至少一个中的控制处理器还被配置为通过通信信道发送与识别出的坏量子位相关联的元数据。27.一种使用量子状态的网络寻址的方法，该方法包括：
d)在源节点处的量子存储库中存储m个数量的第一量子位，并将标记到m个第一量子位的经典信息存储在源节点处的经典存储库中，其中经典信息描述源-目的地节点对；e)通过在源节点处测量m个第一量子位并使用测得的m个第一量子位和描述源-目的地节点对的经典信息生成表示与源节点配对的目的地节点的地址的第一随机数来生成第一源-目的地地址；f)将m个数量的第二量子位存储在目的地节点处的量子存储库中，并将标记到m个第二量子位的经典信息存储在目的地节点的经典存储库中，其中经典信息描述源-目的地节点对；g)通过在目的地节点处测量m个第二量子位并使用测得的m个第二量子位和描述源-目的地节点对的经典信息来生成表示与目的地节点配对的源节点的地址的第二随机数来生成第二源-目的地地址，其中第一源-目的地址与第二源-目的地址是同一个地址；h)从源节点发送分组，该分组在量子地址字段中包括生成的第一随机数，并且还在数据字段中包括旨在用于目的地节点的数据；i)在目的地节点处接收发送的分组；j)在目的地节点处将量子地址字段中的第一随机数与生成的第二随机数进行比较；k)确定在目的地节点处被比较的第一随机数与第二随机数之间是否存在匹配；以及l)如果确定匹配，那么读取接收到的分组的数据字段中的数据。28.如权利要求27所述的方法，还包括确定所存储的m个第一量子位中的至少一些第一量子位的保真度。

技术总结
本发明涉及用于量子高速缓存的系统和方法。纠缠的量子高速缓存包括接收多个量子状态并且被配置为存储和排序所述多个量子状态并且在第一期望时间将所述存储和排序的多个量子状态中的选择的量子状态提供给量子数据输出端的量子存储库。保真度系统被配置为确定所述多个量子状态中的至少一些量子状态的保真度。经典存储库耦合到保真度系统并且被配置为存储经典数据，该经典数据包括确定的保真度信息和将经典数据中的特定经典数据与所述多个量子状态中的特定量子状态相关联的索引，并且在第二期望时间将经典数据中的至少一些经典数据供应给经典数据输出端。处理器连接到经典存储库并基于索引确定第一时间。存储库并基于索引确定第一时间。存储库并基于索引确定第一时间。


技术研发人员：G
受保护的技术使用者：量子比特移动与存储有限责任公司
技术研发日：2021.05.03
技术公布日：2023/8/31