ساختن پایه نوری برای محاسبات کوانتومی: فراتر از هیپ

چقدر-عملکرد بالای زیرساخت فیبر نوری انقلاب کوانتومی را ممکن می‌کند-و چرا سرمایه‌گذاری‌های شبکه امروز شما برای پیشرفت‌های فردا مهم است

 

---

 

گفتگو در مورد محاسبات کوانتومی به اوج خود رسیده است. سرفصل ماشین‌های ترومپت که رمزگذاری را شکست می‌دهند، کشف دارو را متحول می‌کنند و مشکلات بهینه‌سازی را حل می‌کنند که هزاران سال برای ابررایانه‌های کلاسیک به طول می‌انجامد. با این حال، پشت هر پردازنده کوانتومی-چه یونی به دام افتاده-، چه ابررسانا، چه فوتونیکی-یک چالش کمتر فریبنده اما به همان اندازه حیاتی نهفته است: چگونه این ماشین ها را به دنیای خارج، به یکدیگر و در نهایت به اینترنت کوانتومی متصل کنیم؟

پاسخ فیبر نوری است. اما رابطه بین محاسبات کوانتومی و فیبر نوری بسیار عمیق تر از انتقال ساده داده است. درک این رابطه نشان می‌دهد که چرا سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های نوری با کیفیت بالا امروز برای آینده فعال کوانتومی-بنیانی است.

 

 

مشکل واسط کوانتومی{0}}کلاسیک

 

یک کامپیوتر کوانتومی در محیطی تقریباً بیگانه با الکترونیک معمولی کار می کند. کیوبیت‌های ابررسانا در دماهای سردتر از فضای بیرونی-حدود 15 میلی‌کلوین عمل می‌کنند. سیستم‌های یونی به دام افتاده{4}}اتم‌های منفرد را با لیزرهای تنظیم‌شده دقیق دستکاری می‌کنند. کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک اطلاعات رمزگذاری شده در ذرات منفرد نور را پردازش می کنند.

هیچ یک از این سیستم ها به طور طبیعی با دنیای دیجیتال کلاسیک ارتباط برقرار نمی کنند. هر محاسبات کوانتومی نیاز به رقص دقیق سیگنال‌های کنترل کلاسیک، بازخورد واقعی-و استخراج داده‌ها با سرعت بالا دارد. فیبر نوری در اینجا نه تنها به عنوان یک رسانه انتقال، بلکه به عنوان یک جزء مهم از واسط کوانتومی{4}}کلاسیک عمل می کند.

یک کامپیوتر کوانتومی ابررسانای معمولی را در نظر بگیرید. کیوبیت‌ها به‌عنوان دستگاه‌های مایکروویو در فرکانس‌های حدود 5-7 گیگاهرتز کار می‌کنند، در حالی که الکترونیک کنترلی که این سیگنال‌ها را تولید می‌کند در دمای اتاق قرار دارد. جداسازی حرارتی بین این رژیم‌های دما نیازمند اتصالات با رسانایی حرارتی پایین-است. با تبدیل سیگنال‌های مایکروویو به سیگنال‌های نوری در دمای اتاق، انتقال آن‌ها از طریق فیبر، و تبدیل مجدد در مراحل برودتی، مهندسان می‌توانند با حفظ یکپارچگی سیگنال، بار حرارتی روی پردازنده کوانتومی را به‌طور چشمگیری کاهش دهند.

این نرم افزار به تنهایی تقاضا برای فرستنده های نوری تخصصی را افزایش داده است که قادر به کار با کف بسیار کم نویز و ویژگی های زمان بندی دقیق هستند. ماژول های استاندارد 100G QSFP28 در اتصال مرکز داده برتری دارند. برنامه های کاربردی کنترل کوانتومی به طور فزاینده ای به راه حل های نوری سفارشی بهینه شده برای ثبات تاخیر به جای پهنای باند خام نیاز دارند.

 

 

شبکه های کوانتومی: پارادایم جدید برای فیبر نوری

 

دگرگون‌کننده‌ترین کاربرد فیبر نوری در محاسبات کوانتومی در ماشین‌های مجزا نیست، بلکه در اتصال آنهاست. شبکه‌های کوانتومی{1}}سیستم‌هایی که فوتون‌های درهم تنیده را بین گره‌های دور توزیع می‌کنند-قابلیت‌های اساساً جدیدی را نوید می‌دهند: ارتباط غیرقابل هک از طریق توزیع کلید کوانتومی (QKD)، محاسبات کوانتومی توزیع‌شده که چندین پردازنده را به هم پیوند می‌دهد و در نهایت اینترنت کوانتومی.

برخلاف شبکه‌های کلاسیک که سیگنال‌ها را در طول مسیر خود تقویت می‌کنند، شبکه‌های کوانتومی با یک محدودیت منحصربه‌فرد مواجه هستند: اطلاعات کوانتومی قابل کپی نیست. قضیه نه{1}}شبیه سازی مکانیک کوانتومی تقویت را به معنای سنتی ممنوع می کند. هر فوتون حامل اطلاعات کوانتومی باید در کل سفر از مبدأ تا مقصد زنده بماند و تلفات به‌جای جبران شدن در طول مسیر، به صورت ضربی جمع می‌شوند.

این محدودیت تقاضاهای خارق‌العاده‌ای را برای زیرساخت‌های نوری ایجاد می‌کند. تضعیف فیبر، معمولاً حدود 0.2 دسی بل در کیلومتر در طول موج های 1550 نانومتر، فاصله عملی QKD را به تقریباً 100 کیلومتر بدون گره های میانی محدود می کند. محققان در حال توسعه دستگاه‌های تکرارکننده‌های کوانتومی هستند-که دامنه را از طریق تعویض درهم تنیدگی به جای تقویت سیگنال گسترش می‌دهند-اما این دستگاه‌ها عمدتاً آزمایشی هستند.

هر جزء مهم است. تلفات اتصالی که به سختی در شبکه های کلاسیک ثبت می شوند می توانند تعیین کنند که آیا یک پیوند کوانتومی اصلاً کار می کند یا خیر. کیفیت اتصال دهنده حیاتی می شود. تفاوت بین 0.1 دسی بل و 0.3 دسی بل اتصال از دست دادن ورودی ممکن است تعیین کند که آیا یک پیوند کوانتومی موفق است یا شکست.

 

 

چندپلکس کردن تقسیم طول موج در شبکه‌های کوانتومی ترکیبی-

 

یکی از کاربردی‌ترین-کاربردهای نزدیک شبکه‌سازی کوانتومی، شبکه‌های زیرساختی{1}ترکیبی است که سیگنال‌های کوانتومی و کلاسیک را از طریق فیبر مشترک حمل می‌کنند. سیستم های QKD به یک کانال کلاسیک در کنار کانال کوانتومی برای تطبیق کلید و احراز هویت نیاز دارند. اجرای هر دو کانال در مسیرهای فیبر مجزا، هزینه‌های زیرساخت را دو برابر می‌کند و چالش‌های همگام‌سازی زمان‌بندی را معرفی می‌کند.

فناوری DWDM (تقسیم طول موج متراکم) یک راه حل زیبا ارائه می دهد. اپراتورها با اختصاص سیگنال‌های کوانتومی به کانال‌های با طول موج خاص-معمولاً در باند 1550 نانومتری C{3}}که در آن تضعیف فیبر به حداقل می‌رسد-و ترافیک کلاسیک به کانال‌های مجاور، استفاده از فیبر را در عین حفظ یکپارچگی سیگنال کوانتومی به حداکثر می‌رسانند.

این رویکرد چالش های جدیدی را معرفی می کند. کانال‌های کلاسیک، به‌ویژه آنهایی که سیگنال‌های{1}قدرت بالا را حمل می‌کنند، از طریق پراکندگی رامان و اختلاط چهار موج- نویز ایجاد می‌کنند که کانال‌های کوانتومی مجاور را آلوده می‌کند. انتخاب تجهیزات DWDM مستقیماً تعیین می کند که آیا همزیستی کوانتومی ترکیبی{4}}کلاسیک موفق است یا خیر.

40 کانال FB-LINKوسیستم های DWDM Mux/Demux 96 کانالهاین الزامات را با جداسازی کانال بیش از 30dB{1}}مشخصی که از تداخل کانال کلاسیک از تخریب سیگنال‌های کوانتومی جلوگیری می‌کند، برطرف کنید. اینماژول های 8 کانال LGX DWDMیک راه حل فشرده برای استقرارهای ترکیبی در مقیاس کوچکتر-، در حالی که پلتفرم حمل و نقل نوری 1.2T از پیاده سازی های بزرگ-که به ده ها طول موج نیاز دارند، پشتیبانی می کند. هنگام برنامه‌ریزی شبکه‌های ترکیبی، مهندسان باید کانال‌های باند C (معمولاً C21-C36) را برای سیگنال‌های کوانتومی رزرو کنند و کانال‌های کلاسیک پرقدرت را در انتهای مخالف طیف قرار دهند تا ایزوله‌سازی را به حداکثر برسانند.

 

 

ارتباط متقابل مرکز داده: جایی که کوانتوم با مقیاس ملاقات می کند

 

تقاطع فوری محاسبات کوانتومی و فیبر نوری در مراکز داده رخ می دهد. تأمین‌کنندگان بزرگ ابر و مؤسسات تحقیقاتی رایانه‌های کوانتومی را به‌عنوان شتاب‌دهنده‌های قابل دسترسی از طریق شبکه‌های کلاسیک به کار می‌گیرند. پردازنده‌های کوانتومی به‌عنوان پشتیبان‌های تخصصی برای خوشه‌های محاسباتی کلاسیک عمل می‌کنند.

الزامات اتصال متقابل قابل توجه است. رایانه‌های کوانتومی مقادیر عظیمی از داده‌های اندازه‌گیری را تولید می‌کنند که باید{1}در زمان واقعی توسط سیستم‌های کلاسیک پردازش شوند. یک پردازنده کوانتومی منفرد ده‌ها گیگابیت در ثانیه داده‌های اندازه‌گیری خام تولید می‌کند، که همگی برای اجرای تصحیح خطای کوانتومی به پردازش تأخیر زیر{3} میکروثانیه‌ای نیاز دارند.

 

یک دیدگاه مهندسی: بودجه تأخیر تصحیح خطای کوانتومی

یک چرخه تصحیح خطای کوانتومی کد سطحی را در نظر بگیرید که با فرکانس 1 مگاهرتز اجرا می‌شود-یک هدف معمولی برای سیستم‌های متحمل به خطای کوتاه مدت-. هر چرخه داده های اندازه گیری سندرم را از صدها کیوبیت فیزیکی تولید می کند که در مجموع حدود 50-100 مگابایت در هر چرخه است. رمزگشای کلاسیک باید این داده ها را پردازش کند و سیگنال های تصحیح را در مدت زمان چرخه 1 میکروثانیه برگرداند.

یک معمار مرکز داده که یک پردازنده کوانتومی را ادغام می کند با این تفکیک بودجه تاخیر مواجه می شود:

انتقال نوری (فیبر + فرستنده و گیرنده): 5 ns/m × 100m=500 ns

سربار پروتکل (فریمینگ اترنت، FEC): 50-200 ns

تأخیر سوئیچ: 300-500 ns (برش-از طریق) یا 2-10 میکرو ثانیه (ذخیره و ارسال)

زمان محاسبه رمزگشا: 200-500 ns (با سخت افزار تخصصی)

ریاضی نابخشودنی است. سوئیچ‌های ذخیره-و- فوروارد فوراً بودجه را از بین می‌برند. حتی قطع-تغییر اترنت نیمی از زمان موجود را مصرف می‌کند. این توضیح می دهد که چرا محاسبات کوانتومی به طور فزاینده ای با استفاده از پیوندهای نوری مستقیم با حداقل سربار پروتکل، سوئیچینگ بسته را به طور کامل دور می زند.

یک فرستنده گیرنده 100G QSFP28 LR4 که از انتقال 10 کیلومتری تک حالته پشتیبانی می کند، تقریباً 5 میکروثانیه تاخیر سریال سازی با سرعت 100 گیگابیت بر ثانیه برای یک فریم 64 کیلوبایتی- بسیار بیشتر از بودجه تصحیح خطا ارائه می کند. راه‌حل: اندازه‌های فریم کوچک‌تر، اتصالات فیبر مستقیم با استفاده از ماژول‌های QSFP28 SR4 در حالت چند حالته OM4 برای مسافت‌های زیر-100 متری، یا فرستنده‌های 400G QSFP-DD که تأخیر سریال‌سازی را تا 4 برابر کاهش می‌دهند.ماژول‌های FB-LINK's 400G QSFP-DD SR8این قابلیت را با اتصال MPO{1}}16 بهینه شده برای یکپارچه سازی سیستم کوانتومی رک-به رک ارائه دهید.

 

 

نقش سوئیچ های نوری در زیرساخت کوانتومی

 

سیستم های کوانتومی اغلب به اتصال نوری قابل تنظیم مجدد نیاز دارند. روش های تست و کالیبراسیون تجهیزات اندازه گیری را به اجزای مختلف سیستم متصل می کند. محیط های تحقیقاتی برای مسیریابی سیگنال های نوری بین تنظیمات آزمایشی مختلف به انعطاف پذیری نیاز دارند. کامپیوترهای کوانتومی تولیدی از سوئیچینگ نوری برای افزونگی و نگهداری سود می برند.

سوئیچ‌های نوری{0}}دستگاه‌هایی که مسیرهای نور را بدون{1}}تبدیل{2}الکتریکی{2} نوری- هدایت می‌کنند، این انعطاف‌پذیری را بدون معرفی تأخیر و نویز سوئیچینگ الکترونیکی ارائه می‌کنند. مشخصات کلیدی عبارتند از فقدان درج و تداخل. هر دسی بل از دست دادن قدرت سیگنال کوانتومی را کاهش می دهد. تداخل بین پورت ها نویز ایجاد می کند که انسجام کوانتومی را کاهش می دهد.

سوئیچ های نوری مبتنی بر{0}}MEMS کمترین تلفات درج را ارائه می دهند (معمولا<1.5 dB) and highest isolation (>55 دسی بل) ویژگی های مناسب برای کاربردهای کوانتومی. معماران شبکه باید این اجزا را بر اساس الزامات خاص ارزیابی کنند: سیستم‌های QKD تلفات کم را در اولویت قرار می‌دهند، در حالی که سیستم‌های کنترل محاسبات کوانتومی سرعت سوئیچینگ را در اولویت قرار می‌دهند.

 

 

کیفیت فیبر: عاملی که اغلب نادیده گرفته می شود

 

فیبر به خودی خود سزاوار توجه بیشتری نسبت به آن است که معمولاً در بحث های محاسبات کوانتومی دریافت می کند. فیبر یک حالت استاندارد (SMF-28 و معادل‌های آن) برای اکثر کاربردهای کوانتومی عملکرد خوبی دارد، اما تغییرات جزئی کیفیت بر عملکرد تأثیر می‌گذارد.

پراکندگی حالت پلاریزاسیون (PMD)، ناشی از نقص های ساخت و استرس مکانیکی، سیگنال های کوانتومی را که به رمزگذاری پلاریزاسیون متکی هستند، تخریب می کند. در حالی که فیبر مدرن به ضرایب PMD بسیار پایین دست می یابد، شیوه های نصب اهمیت قابل توجهی دارد. اجتناب از خمش های محکم، کشش بیش از حد، و تنش مکانیکی، خواص پلاریزاسیونی را که کاربردهای کوانتومی به آن وابسته است حفظ می کند.

پچ کوردهای MPO/MTP FB-LINKبا دقت-فرول های صیقلی تلفات درج پایین را حفظ می کنند (<0.35 dB per connector) and consistent polarization characteristics that quantum applications demand. The LC patch cords featuring ultra-physical-contact (UPC) polish provide reliable interconnection for laboratory quantum systems.

 

 

برنامه ریزی برای آینده کوانتومی: نقشه راه محصول

 

سازمان‌هایی که امروزه زیرساخت‌های نوری ایجاد می‌کنند، باید رویکردی مرحله‌ای را در نظر بگیرند که در حین آماده‌سازی برای ادغام کوانتومی، به بارهای کاری کلاسیک فعلی خدمت می‌کند.

 

فاز 1: پایه (استقرار فعلی)

با اجزای-کیفیت بالا که از حداقل مشخصات بیشتر است شروع کنید. مستقر کنیدفرستنده گیرنده 100G QSFP28با ویژگی های لرزش پایین برای اتصالات مرکز داده. مالتی پلکسرهای CWDM یا DWDM را با حداقل 8 کانال ذخیره شده برای طول موج های کوانتومی آینده نصب کنید. از پچ کوردهای ممتاز با مشخصات از دست دادن درج مستند استفاده کنید.

محصولات FB{0}LINK پیشنهادی:

فرستنده گیرنده 100G QSFP28 LR4برای اتصالات 10 کیلومتری مترو

ماژول های 8 کانال DWDM Mux/Demuxبرای ضرب طول موج

وصله‌کوردهای تک حالته LC UPC-با<0.2 dB insertion loss

 

فاز 2: افزایش ظرفیت (12-24 ماه)

با افزایش تقاضای هوش مصنوعی و محاسبات کلاسیک، ظرفیت DWDM را با حفظ نظم تخصیص کانال افزایش دهید. به فرستنده‌های 400G در پیوندهای{2}}ترافیک بالا ارتقا دهید. تقویت‌کننده‌های نوری (EDFA) را برای افزایش دسترسی در{4}}اتصالات طولانی استفاده کنید. تخصیص طول موج را با دقت مستند کنید-این رشته زمانی که کانال‌های کوانتومی به شبکه می‌پیوندند سود می‌دهد.

محصولات FB{0}LINK پیشنهادی:

فرستنده گیرنده 400G QSFP-DD CWDM4برای DCI با پهنای باند بالا-

سیستم های DWDM Mux/Demux 40 کانالهدارای پورت های مانیتور

تقویت کننده EDFAتقویت‌کننده‌ها برای گستره 80+ کیلومتر

ماژول های 16 کانال DWDM C21-C36(ذخیره برای تخصیص کوانتومی آینده)

 

فاز 3: آمادگی کوانتومی (24-48 ماه)

همانطور که خدمات محاسبات کوانتومی به صورت تجاری در دسترس قرار می گیرند، زیرساخت های کوانتومی{0}}خاص را ادغام کنید. کانال های DWDM رزرو شده را به QKD یا اتصالات محاسباتی کوانتومی اختصاص دهید. استقرار سوئیچ های نوری برای مسیریابی سیستم کوانتومی انعطاف پذیر. اجرای چارچوب OTN برای تأخیر قطعی در مسیرهای تصحیح خطای کوانتومی.

محصولات FB{0}LINK پیشنهادی:

تجهیزات DWDM 96 کانالهبرای حداکثر چگالی طول موج

سکوهای حمل و نقل DCI OTNبا تأخیر زیر-میکروثانیه

ماژول های حفاظت از خط نوری (OLP).برای افزونگی پیوند کوانتومی

فرستنده گیرنده 800G OSFPبرای استخراج داده های کوانتومی نسل بعدی-

 

فاز 4: یکپارچه سازی شبکه کوانتومی (48+ ماه)

به شبکه های کوانتومی در حال ظهور و زیرساخت محاسبات کوانتومی توزیع شده متصل شوید. پایه نوری ساخته شده در فازهای قبلی مستقیماً این یکپارچگی را امکان پذیر می کند. سازمان‌هایی که از سرمایه‌گذاری‌های باکیفیت صرف‌نظر می‌کنند، با بازسازی‌های پرهزینه مواجه می‌شوند. آنهایی که بر اساس مشخصات{2}}کوانتومی ساخته شده‌اند، به‌طور یکپارچه ادغام می‌شوند.

 

 

بنیادی که امروز می سازید

 

پتانسیل انقلابی محاسبات کوانتومی سرفصل ها را به خود اختصاص می دهد، اما تحقق آن به تسلط بر چالش های مهندسی پیش پا افتاده بستگی دارد. زیرساخت فیبر نوری-فرستنده‌ها، سوئیچ‌ها، مالتی پلکسرها، سیم‌های پچ و فیبر خود{2}}سیستم گردش خون را تشکیل می‌دهند که اطلاعات کوانتومی از طریق آن جریان می‌یابد.

سازمان هایی که به راحتی محاسبات کوانتومی را اتخاذ می کنند، سازمان هایی هستند که زیرساخت های نوری آنها از قبل استانداردهای دقیق را برآورده می کند. اتصالات کم-تلفات، مدیریت دقیق طول موج، تأخیر ثابت، و مؤلفه‌های{2}}کیفیت بالا به خوبی به برنامه‌های کلاسیک امروز و برنامه‌های کوانتومی فردا خدمت می‌کنند.

سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های نوری با کیفیت-شرط‌های گمانه‌زنی بر روی جدول زمانی محاسبات کوانتومی نیست. آنها بلافاصله عملکرد شبکه کلاسیک را بهبود می بخشند در حالی که سازمان ها را برای آینده های فعال کوانتومی-تعیین می کنند. شالوده‌ای که امروز می‌سازید تعیین می‌کند که فردا چه چیزی قابل دستیابی است.

 

 

 

---

 

برچسب ها:محاسبات کوانتومی، فیبر نوری، اتصال به مرکز داده، DWDM، فرستنده‌های نوری، شبکه‌های کوانتومی، QKD، زیرساخت شبکه