Քվանտային ցանցեր

**Քվանտային ցանցեր,** կազմում են կարևոր տարր քվանտային հաշվարկների և քվանտային հաղորդակցման համակարգերում։ Քվանտային ցանցերը հնարավորություն են տալիս փոխանցել տեղեկատվությունը քվանտային բիթերի տեսքով(որոնք նաև կոչվում են քուբիթներ)՝ ֆիզիկապես բաժանված քվանտային պրոցեսորների միջև։ Քվանտային պրոցեսորը սարք է, որը կարող է իրականացնել քվանտային շղթաներ որոշակի քանակի քվանտային բիթերի վրա։ Քվանտային ցանցերը գործում են նմանատիպ ձևով, ինչպես դասական ցանցերը։ Հիմնական տարբերությունն այն է, որ քվանտային ցանցային կապը, ինչպես քվանտային հաշվարկումը, ավելի արդյունավետ է որոշ խնդիրների լուծման համար, օրինակ՝ քվանտային համակարգերի մոդելավորման։

## Հիմունքներ
### Քվանտային ցանցեր հաշվարկման համար
Ցանցային քվանտային հաշվարկումը կամ բաշխված քվանտային հաշվարկումը գործում է մի քանի քվանտային պրոցեսորներ միացնելով քվանտային ցանցի միջոցով՝ փոխանցելով քվանտային բիթեր դրանց միջև։ Դա ստեղծում է քվանտային հաշվարկային կլաստեր, և, հետևաբար, ավելացնում է հաշվարկային ներուժը։ Ավելի թույլ համակարգիչները կարելի է այս կերպ միացնել՝ ստեղծելու համար մեկ ավելի հզոր պրոցեսոր։ Սա համարժեք է մի քանի դասական համակարգիչների միացմանը՝ համակարգչային կլաստեր ստեղծելու համար դասական հաշվարկում։ Ինչպես դասական հաշվարկման դեպքում, այս համակարգը մասշտաբային է՝ ավելացնելով ավելի ու ավելի շատ քվանտային համակարգիչներ ցանցին։ Ներկայումս քվանտային պրոցեսորները բաժանված են միայն կարճ հեռավորություններով։

### Քվանտային ցանցեր հաղորդակցության համար
Քվանտային հաղորդակցության ոլորտում նպատակն է փոխանցել քվանտային բիթեր (qubit) մեկ քվանտային մշակիչ պրոցեսորից մյուսին երկար հեռավորությունների վրա: Այս կերպ տեղային քվանտային ցանցերը կարող են փոխկապակցվել՝ ստեղծելով քվանտային ինտերնետ։ Քվանտային ինտերնետը աջակցում է բազմաթիվ կիրառություններին, որոնք իրենց ուժը ստանում են այն փաստից, որ ստեղծելով քվանտային խճանցված բիթեր՝ հնարավոր է փոխանցել տեղեկատվություն հեռավոր քվանտային պրոցեսորների միջև։ Քվանտային ինտերնետի մեծ մասը պահանջում է միայն շատ պարզ քվանտային պրոցեսորներ։ Քվանտային ինտերնետի մեծ մասի պրոտոկոլների համար, օրինակ՝ քվանտային բանալիի բաշխումը քվանտային կրիփտոգրաֆիաում, բավական է, եթե այս պրոցեսորները կարողանում են պատրաստել և չափել միայն մեկ քվանտային բիթ միաժամանակ։ Սա տարբերվում է քվանտային հաշվարկումից, որտեղ հետաքրքիր կիրառությունները հնարավոր են միայն այն դեպքում, եթե (միավորված) քվանտային պրոցեսորները հեշտությամբ կարողանան սիմուլացնել ավելի շատ բիթեր, քան դասական համակարգիչը (մոտավորապես 60)։ Քվանտային ինտերնետի կիրառությունները պահանջում են միայն փոքր քվանտային պրոցեսորներ, հաճախ ընդամենը մեկ բիթ, քանի որ քվանտային խճանցումը կարող է իրականացվել ընդամենը երկու բիթի միջև։ Խճանցված քվանտային համակարգի սիմուլյացիան դասական համակարգչում չի կարող միաժամանակ ապահովել նույն անվտանգությունը և արագությունը։

### Քվանտային ցանցի տարրերի ընդհանուր ակնարկ
Քվանտային ցանցի և ընդհանրապես քվանտային ինտերնետի հիմնական կառուցվածքը համարժեք է դասական ցանցին։ Նախ, մենք ունենք վերջնական հանգույցներ, որոնց վրա վերջապես գործարկվում են կիրառությունները։ Այս վերջնական հանգույցները քվանտային պրոցեսորներ են՝ առնվազն մեկ քվանտային բիթով։ Քվանտային ինտերնետի որոշ կիրառություններ պահանջում են մի քանի բիթ ունեցող քվանտային պրոցեսորներ, ինչպես նաև քվանտային հիշողություն վերջնական հանգույցներում։

Երկրորդ, քվանտային բիթերը մեկ հանգույցից մյուսը տեղափոխելու համար մեզ անհրաժեշտ են հաղորդակցման գծեր։ Քվանտային հաղորդակցության նպատակով կարելի է օգտագործել ստանդարտ հեռահաղորդակցային օպտիկական մալուխներ։ Ցանցային քվանտային հաշվարկման համար, որտեղ քվանտային պրոցեսորները կապված են կարճ հեռավորությունների վրա, ընտրվում են տարբեր ալիքային երկարություններ՝ կախված քվանտային պրոցեսորի ճշգրիտ սարքաշարի հարթակից։

Երրորդ, հաղորդակցման ենթակառուցվածքից առավելագույն օգտվելու համար անհրաժեշտ են օպտիկական անջատիչներ, որոնք ունակ են քվանտային բիթերը հասցնել նախատեսված քվանտային պրոցեսորին։ Այս անջատիչները պետք է պահպանեն քվանտային կոհերենտությունը, ինչը նրանց դարձնում է ավելի դժվար իրագործելի, քան ստանդարտ օպտիկական անջատիչները։

Վերջապես, անհրաժեշտ է քվանտային ռեպիտեր՝ քվանտային բիթերը երկար հեռավորությունների վրա տեղափոխելու համար։ Ռեպիտերները տեղադրվում են վերջնական հանգույցների միջև: Քանի որ քվանտային բիթերը հնարավոր չէ պատճենել (Ապակրկնելիության թեորեմ), դասական ազդանշանի ուժեղացումը հնարավոր չէ։ Հետևաբար, քվանտային ռեպիտերը գործում է հիմնականում այլ կերպ, քան դասական ռեպիտերը։

## Քվանտային ցանցի տարրեր
### Վերջնական հանգույցներ․ քվանտային պրոցեսորներ
Վերջնական հանգույցները կարող են և՛ ընդունել, և՛ փոխանցել տեղեկատվություն: Հեռահաղորդակցական լազերները և ինքնաբուխ պարամետրիկ իջեցումը, համակցված ֆոտոդետեկտորների հետ, կարող են օգտագործվել քվանտային բանալիի բաշխումի համար։ Այս դեպքում վերջնական հանգույցները շատ դեպքերում կարող են լինել շատ պարզ սարքեր, որոնք բաղկացած են միայն ցրիչներից և ֆոտոդետեկտորներից։

Այնուամենայնիվ, բազմաթիվ պրոտոկոլների համար նախընտրելի են ավելի բարդ վերջնական հանգույցներ։ Այս համակարգերը տրամադրում են առաջադեմ մշակման հնարավորություններ և կարող են օգտագործվել նաև որպես քվանտային ռեպիտերներ։ Նրանց հիմնական առավելությունն այն է, որ կարող են պահել և վերահեռարձակել քվանտային տեղեկատվությունը՝ առանց խախտելու հիմքում ընկած քվանտային վիճակը։ Պահվող քվանտային վիճակը կարող է լինել էլեկտրոնի հարաբերական պտույտը մագնիսական դաշտում կամ էլեկտրոնի էներգետիկ վիճակը: Նրանք նաև կարող են կատարել քվանտային տրամաբանական դարպասներ։

Մեկ եղանակ նման վերջնական հանգույցների իրագործման համար է դիամանդի մեջ գունային կենտրոնների օգտագործումը, ինչպես օրինակ թթվածնի-խոռոչ կենտրոնը (nitrogen-vacancy center)։ Այս համակարգը ստեղծում է փոքր քվանտային պրոցեսոր, որը բաղկացած է մի քանի քվանտային բիթերից (qubits)։ NV կենտրոնները կարող են օգտագործվել սենյակային ջերմաստիճաններում:Այս համակարգում արդեն ցուցադրվել են փոքր մասշտաբի քվանտային ալգորիթմներ և քվանտային սխալի շտկում՝ ինչպես նաև հնարավորությունը երկու և երեք քվանտային պրոցեսորների խճանկում և իրականացնում որոշորոշիչ քվանտային հեռահաղորդակցություն:

Մեկ այլ հնարավոր հարթակ են քվանտային պրոցեսորները, որոնք հիմնված են լիովկված իոնների (ion trap) վրա, օգտագործելով ռադիահաճախականության մագնիսական դաշտեր և լազերներ: Բազմատեսակ կլավացված իոնների հանգույցների ցանցում, ֆոտոնները, որոնք խճանկված են ծնողական ատոմի հետ, օգտագործվում են տարբեր հանգույցների խճանկման համար: Նաև հնարավոր է օգտագործել փոսային քվանտային էլեկտրոդինամիկայի (Cavity QED) մեթոդը։ Cavity QED-ում ֆոտոնային քվանտային վիճակները կարող են փոխանցվել դեպի և ստանալ ատոմային քվանտային վիճակները, որոնք պահվում են մեկ ատոմում օպտիկական փոսերում։ Սա թույլ է տալիս քվանտային վիճակների փոխանցումը մեկ ատոմից մյուս ատոմին օպտիկական մալուխի միջոցով, ինչպես նաև հեռավոր ատոմների միջև խճանկման ստեղծումը:

### Հաղորդակցության գծեր․ ֆիզիկական շերտ
Դարավոր հեռավորությունների վրա, քվանտային ցանցերը գործարկելու հիմնական մեթոդը օպտիկական ցանցերն ու ֆոտոնների վրա հիմնված քվանտային բիթեր (qubit)ն օգտագործելն է։ Դա պայմանավորված է այն փաստով, որ օպտիկական ցանցերում դեկոհերենցիայի հավանականությունը նվազագույն է։ Օպտիկական ցանցերը ունեն այն առավելությունը, որ հնարավոր է օգտագործել գոյություն ունեցող օպտիկական մալուխը։ Այլընտրանքորեն հնարավոր է կիրառել ազատ տարածքի ցանցեր, որոնք քվանտային տեղեկատվությունը փոխանցում են միջավայրով կամ վակուումով:

#### Օպտիկական մալուխային ցանցեր
Օպտիկական ցանցերը, օգտագործելով գոյություն ունեցող հեռահաղորդակցական մալուխը, կարող են իրականացվել օգտագործելով սարքավորում, որը նման է գոյություն ունեցող հեռահաղորդակցական սարքավորումներին։ Այս մալուխը կարող է լինել ինչպես մեկ ռեժիմի (single-mode), այնպես էլ բազմակի ռեժիմի (multi-mode), իսկ single-mode-ը թույլ է տալիս ավելի ճշգրիտ հաղորդակցություն: Փոխանցողի կողմում *մեկ [[ֆոտոն]]* աղբյուր կարելի է ստեղծել՝ ստանդարտ հեռահաղորդակցական լազերը ուժեղ խտացնելով այնպես, որ միջին ֆոտոնների թիվը մեկ փուլի համար լինի փոքր քան 1։ Ընդունման համար կարելի է օգտագործել ավալանչ ֆոտոդետեկտոր։ Կիրառվում են տարբեր փուլի կամ պոլարիզացիայի վերահսկման մեթոդներ, օրինակ՝ ինտերֆերոմետրներ և ցրիչ (beam splitter)ներ։ Խճանկման վրա հիմնված պրոտոկոլների դեպքում խճանկված ֆոտոնները կարող են ստեղծվել ինքնաբուխ պարամետրիկ իջեցում (spontaneous parametric down-conversion)ի միջոցով։ Երկու դեպքերում էլ հեռահաղորդակցական մալուխը կարելի է բազմապատկել՝ ոչ-քվանտային ժամանակագրական և վերահսկող ազդանշանների փոխանցման համար։

2020 թվականին Չինաստանի մի քանի հաստատությունների հետ կապ ունեցող հետազոտական թիմը հաջողությամբ փոխանցել է խճանկված քվանտային հիշողություններ 50 կիլոմետր երկարությամբ ոլորված օպտիկական մալուխի միջով:

#### Ազատ տարածքի ցանցեր
Ազատ տարածքի քվանտային ցանցերը գործում են նմանորեն օպտիկական մալուխային ցանցերին, սակայն հենվում են հաղորդակցվող կողմերի միջև տեսադաշտի վրա, այլ ոչ թե օգտագործում օպտիկական մալուխի կապ։ Ազատ տարածքի ցանցերը սովորաբար կարող են ապահովել ավելի բարձր փոխանցման արագություններ, քան օպտիկական մալուխային ցանցերը, և չեն ենթարկվում պոլարիզացիայի խճանկմանը, որը առաջանում է օպտիկական մալուխից: Այնուամենայնիվ, մեծ հեռավորությունների վրա ազատ տարածքի հաղորդակցությունը ենթարկվում է միջավայրի խանգարման մեծացման վտանգին ֆոտոնների վրա:

Ազատ տարածքի հաղորդակցությունը հնարավոր է նաև արբանյակից երկրի մակերևույթ։ Դիմացկուն քվանտային արբանյակը, որը կարող է խճանկման բաշխում կատարել 1,203 կմ հեռավորության վրա, արդեն ցուցադրվել է։ Մեկ ֆոտոնի փորձարարական փոխանակում գլոբալ նավիգացիոն արբանյակից 20,000 կմ թեք հեռավորության վրա նույնպես հաղորդվել է, Այս արբանյակները կարող են կարևոր դեր ունենալ փոքր երկրային ցանցերը մեծ հեռավորությունների վրա կապելու գործում։ Ազատ տարածքի ցանցերում, արտերկրյա պայմանները, ինչպիսիք են տուրբուլենցիան, ցրումը և շլացման գործընթացները, առաջացնում են մարտահրավերներ, որոնք ազդում են փոխանցվող քվանտային վիճակների ճշգրտության վրա։ Այս ազդեցությունները մեղմելու համար հետազոտողները օգտագործում են ադապտիվ օպտիկան, առաջադեմ մոդուլացիոն սխեմաներ և սխալի շտկման տեխնիկա: Քվանտային բանալիի բաշխում (QKD) պրոտոկոլների դիմադրությունը ինտերսեպցիայի նկատմամբ կարևոր դեր է խաղում փոխանցվող տվյալների անվտանգության ապահովման մեջ։ Սպասարկվող կերպով, BB84 և դեկոյ-ստեյթ սխեմաները հարմարեցվել են ազատ տարածքի միջավայրին՝ հնարավոր անվտանգության խոցելիությունների դեմ կայունությունը բարելավելու համար։

### Պատկերման սարքեր (Repeaters)
Երկար հեռահար հաղորդակցությունը խափանվում է ազդանշանի կորուստների և դեկոհերենցիայի հետևանքով, որոնք բնորոշ են շատ թրանսպորտային միջավայրերի, օրինակ՝ օպտիկական մալուխին։ Կլասիկական հաղորդակցությունում ազդանշանը ուժեղացնելու համար օգտագործվում են ամպլիֆիկատորներ, սակայն քվանտային ցանցում ամպլիֆիկատորներ cannot օգտագործել, քանի որ քվանտային բիթեր (qubit)-երը չեն կարող կրկնօրինակվել՝ այսպես կոչված no-cloning theorem-ի պատճառով։ Այսինքն՝ ամպլիֆիկատորն իրականացնելու համար անհրաժեշտ կլինի ամբողջությամբ որոշել թռչող քվանտային բիթի վիճակը, ինչը և ցանկալի չէ, և անհնարին է։

#### Հավաստված պատկերման սարքեր (Trusted repeaters)
Միջնորդական քայլ, որը թույլ է տալիս ստուգել հաղորդակցության ենթակառուցվածքը, հանդիսանում են հավաստված պատկերման սարքերը։ Կարևոր է, որ հավաստված պատկերման սարքը չի կարող օգտագործվել քվանտային բիթեր (qubit)-երի երկար հեռավորությունների փոխանցման համար։ Փոխարենը, այն կարող է օգտագործվել միայն քվանտային բանալիի բաշխում (quantum key distribution) իրականացնելու համար՝ հավելյալ ենթադրությամբ, որ պատկերման սարքը վստահելի է։ Տարբերեք երկու վերջնական հանգույցներ՝ A և B, և մի հավաստված պատկերման սարք R՝ միջանկյալում։ Ա և R կատարում են քվանտային բանալիի բաշխում՝ ստեղծելու բանալի k_{AR}։ Անալոգիկորեն, R և B իրականացնում են քվանտային բանալիի բաշխում՝ ստեղծելու բանալի k_{RB}։ Ա և B կարող են ստանալ իրենց միջև բանալի k_{AB} հետևյալ կերպ․ Ա ուղարկում է k_{AB}-ը R-ին՝ ծածկագրված բանալիով k_{AR}։ R- ը լուծարում է ծածկագրման գործընթացը և ստանում k_{AB}։ Այնուհետև R կրկին ծածկագրում է k_{AB} բանալիով k_{RB} և ուղարկում B-ին։ B- ը լուծարում է ծածկագրումը և ստանում k_{AB}։ Ա և B այժմ կիսում են բանալի k_{AB}։ Բանալին ապահով է արտաքին հնչակողի (eavesdropper) դեմ, բայց ակնհայտ է, որ R պատկերման սարքն նույնպես գիտի k_{AB}-ը։ Սա նշանակում է, որ A և B միջև հաջորդ հաղորդակցությունը չի ապահովում end-to-end անվտանգություն, այլ ապահով է միայն այն դեպքում, եթե A և B վստահում են R պատկերման սարքին։

#### Քվանտային պատկերման սարքեր (Quantum repeaters)
300px|thumb|right| Դիագրամ՝ ֆոտոնի քվանտային հեռահաղորդման (teleportation) համար

Արդարացի քվանտային պատկերման սարքը թույլ է տալիս վերջից վերջի (end-to-end) քվանտային խճանկման (entanglement) ստեղծումը և, հետևաբար՝  օգտագործելով քվանտային հեռահաղորդում (quantum teleportation)  վերջից վերջի քվանտային բիթեր (qubit)-երի փոխանցումը։ Քվանտային բանալիի բաշխում (quantum key distribution) պրոտոկոլներում հնարավոր է ստուգել նման խճանկումը։ Սա նշանակում է, որ երբ ստեղծվում են ծածկագրային բանալիներ, փոխանցողն ու ընդունողը ապահով են, նույնիսկ եթե նրանք չեն վստահում քվանտային պատկերման սարքին։ Քվանտային ինտերնետի ցանկացած այլ հավելված նույնպես պահանջում է վերջից վերջի բիթերի փոխանցում, և, հետևաբար, քվանտային պատկերման սարք։

Քվանտային պատկերման սարքերը թույլ են տալիս խճանկումը (entanglement) և կարող են ստեղծվել հեռավոր հանգույցներում առանց ֆիզիկապես ամբողջ երկարությամբ փոխանցելու խճանկված քվանտային բիթ (qubit)։

Այս դեպքում քվանտային ցանցը բաղկացած է շատ կարճ հեռավորությունների կապերից, որոնք կարող են լինել տասնյակ կամ հարյուրավոր կիլոմետրեր։ Ամենապարզ դեպքում՝ մեկ պատկերման սարքով, ստեղծվում են երկու զույգ խճանկված քվանտային բիթեր՝ |A\rangle և |R_a\rangle, որոնք գտնվում են փոխանցողում և պատկերման սարքում, և երկրորդ զույգ |R_b\rangle և |B\rangle, որոնք գտնվում են պատկերման սարքում և ընդունողում։ Այս սկզբնական խճանկված քվանտային բիթերը կարելի է հեշտությամբ ստեղծել, օրինակ՝ պարամետրիկ նեվացման միջոցով, մի քվանտային բիթ ֆիզիկապես փոխանցելով հարակից հանգույց։ Այս պահին, պատկերման սարքը կարող է կատարել Bell չափում |R_a\rangle և |R_b\rangle բիթերի վրա՝ հեռահաղորդելով |R_a\rangle քվանտային վիճակը |B\rangle-ին։ Այս գործընթացը ստեղծում է խճանկման «փոխանակում» այնպես, որ |A\rangle և |B\rangle այժմ խճանկված են հեռավորությամբ, որը կրկնակի ավելի երկար է սկզբնական զույգերի հեռավորությունից։ Մեկն է, որ նման պատկերման սարքերի ցանցը կարելի է օգտագործել ինչպես գծային, այնպես էլ հիերարխիկ ձևով՝ խճանկում ստեղծելու մեծ հեռավորությունների վրա:

Վերևում նշված հանգույցների համար հարմար հարդվարային պլատֆորմները կարող են նաև գործել որպես քվանտային պատկերման սարքեր։ Սակայն կան նաև հարդվարային պլատֆորմներ, որոնք հատուկ նախատեսված են միայն պատկերման սարքի դերը կատարելու համար, առանց քվանտային դարպասներ (quantum gates) կատարելու հնարավորության։

#### Փոփոխությունների շտկում (Error correction)
Սխալի շտկումը կարող է կիրառվել քվանտային պատկերման սարքերում։ Տեխնոլոգիական սահմանափակումների պատճառով, սակայն, կիրառելիությունը սահմանափակ է շատ կարճ հեռավորություններով, քանի որ երկար հեռավորությունների վրա քվանտային բիթեր (qubit)-երը պաշտպանող սխալի շտկման սխեմաները կպահանջեին անչափ մեծ քանակությամբ քվանտային բիթեր և, հետևաբար, անչափ մեծ քվանտային համակարգիչներ։

Հաղորդակցության սխալները կարող են լայնորեն դասակարգվել երկու տեսակի․ կորուստի սխալներ (կախված օպտիկական մալուխից (optical fiber)/վերաբերյալ միջավայրից) և գործողության սխալներ (օրինակ՝ depolarization, փուլային փոփոխություն (dephasing) և այլն)։ Մինչև դասական սխալները հայտնաբերելու և շտկելու համար կրկնօրինակումը կարող է կիրառվել, կրկնօրինակված քվանտային բիթեր ստեղծել հնարավոր չէ no-cloning theorem-ի պատճառով։ Արդյունքում պետք է կիրառվեն այլ տեսակի սխալի շտկման մեթոդներ, ինչպիսիք են Shor կոդը կամ մի քանի այլ ընդհանուր և արդյունավետ կոդերից մեկը։ Այս բոլոր կոդերը աշխատում են այն կերպ, որ քվանտային տեղեկատվությունը բաշխվում է բազմաթիվ խճանկված քվանտային բիթերի վրա՝ այնպես, որ հնարավոր լինի շտկել ինչպես գործողության, այնպես էլ կորուստի սխալները:

Քվանտային սխալի շտկմանը հավելյալ, որոշ հատուկ դեպքերում քվանտային ցանցերը կարող են կիրառել դասական սխալի շտկում, օրինակ՝ քվանտային բանալիի բաշխում (quantum key distribution)-ի ընթացքում։ Այս դեպքերում, քվանտային հաղորդակցության նպատակը՝ դասական բիթերի շարք ապահով կերպով փոխանցելն է։ Դասական սխալի շտկման ավանդական կոդերը, օրինակ՝ Hamming code-երը, կարող են կիրառվել բիթերի շարքի վրա նախքան քվանտային ցանցում կոդավորումը և փոխանցումը։

#### Սինքրոնացման մաքրում (Entanglement purification)
Քվանտային դեկոերենս (Quantum decoherence) կարող է տեղի ունենալ, երբ մի qubit-ը առավելագույնս խճանկված բելլ վիճակից փոխանցվում է քվանտային ցանցով։ Սինքրոնացման մաքրումը թույլ է տալիս ստեղծել գրեթե առավելագույնս խճանկված քվանտային բիթեր բազմաթիվ քվանտային բիթերից, որոնք թույլ խճանկված են, և այսպիսով ապահովում է հավելյալ պաշտպանություն սխալների դեմ։ Սինքրոնացման մաքրումը (այսպես կոչված Entanglement distillation) արդեն ցուցադրվել է Nitrogen-vacancy center-ներում ադամանդում:

## Կիրառումներ
Քվանտային ինտերնետը ապահովում է բազմաթիվ կիրառություններ, որոնք հնարավոր են դառնում քվանտային ձուլման միջոցով։ Ընդհանուր առմամբ, քվանտային ձուլումը հարմար է այնպիսի առաջադրանքների համար, որոնք պահանջում են համակարգում, համաժամեցում կամ գաղտնիություն։

Այդպիսի կիրառությունների օրինակներն են քվանտային բանալիի բաշխումը, ժամացույցների կայունացումը, բաշխված համակարգերի խնդիրների լուծման արձանագրությունները, ինչպիսիք են առաջնորդի ընտրությունը կամ Բյուզանդական համաձայնագիրը, աստղադիտակների հիմքի երկարացումը, ինչպես նաև դիրքի հաստատումը, անվտանգ նույնականացումը և երկկողմանի գաղտնագրությունը աղմկոտ պահեստավորման մոդելում։ Քվանտային ինտերնետը նաև հնարավորություն է տալիս ապահով կերպով մուտք գործել քվանտային համակարգիչների ամպում։ Մասնավորապես՝ քվանտային ինտերնետը թույլ է տալիս շատ պարզ քվանտային սարքեր կապվել հեռավոր քվանտային համակարգչի հետ այնպես, որ հաշվարկները կատարվեն այնտեղ՝ առանց քվանտային համակարգչին հնարավորություն տալու իմանալու, թե իրականում ինչ հաշվարկ է կատարվում (մուտքային և ելքային քվանտային վիճակները հնարավոր չէ չափել առանց հաշվարկը ոչնչացնելու, սակայն հաշվարկման համար օգտագործվող սխեմայի կառուցվածքը հայտնի կլինի)։

### Անվտանգ հաղորդակցություններ
Հաղորդակցության ցանկացած ձևի ժամանակ հիմնական խնդիրը միշտ եղել է այդ հաղորդակցությունների գաղտնի պահպանումը: Քվանտային ցանցերը թույլ կտան տեղեկատվությունը ստեղծել, պահպանել և փոխանցել՝ հավանաբար ապահովելով «գաղտնիության, անվտանգության և հաշվարկային հզորության այն մակարդակը, որը հնարավոր չէ հասնել այսօրվա ինտերնետով»:

Օգտատիրոջ ընտրած քվանտային օպերատորը կիրառելով տեղեկատվական համակարգի վրա՝ տեղեկատվությունը կարող է ուղարկվել ստացողին այնպես, որ որևէ գաղտնալսող չկարողանա ճշգրիտ գրանցել ուղարկված տեղեկությունը՝ առանց ուղարկողի կամ ստացողի իմանալու։ Ի տարբերություն դասական տեղեկատվության, որն արտահայտվում է բիթերով և ունի 0 կամ 1 արժեք, քվանտային ցանցերում կիրառվող տեղեկատվությունը հիմնված է քվանտային բիթերի (քյուբիտների) վրա, որոնք կարող են ունենալ միաժամանակ և՛ 0, և՛ 1 արժեք՝ գտնվելով գերդիրքի վիճակում: Սա գործում է, որովհետև եթե գաղտնալսողը փորձի լսել, ապա նա իր լսելով կփոխի տեղեկատվությունը անսպասելի ձևով՝ բացահայտելով իր ներկայությունը։ Բացի այդ, առանց համապատասխան քվանտային օպերատորի տեղեկատվությունը ապակոդավորելու համար՝ նրանք կփչացնեն ուղարկված տեղեկությունը՝ առանց իրենց համար այն օգտագործելու հնարավորություն ունենալու։ Ավելին՝ քյուբիտները կարող են կոդավորվել տարբեր նյութերի մեջ, ներառյալ ֆոտոնների բևեռացումը կամ էլեկտրոնների սպինային վիճակները:

## Ներկայիս վիճակ
### Քվանտային համացանց

Քվանտային հաղորդակցական ցանցի նախատիպի օրինակներից մեկն ութ օգտագործող ունեցող քաղաքային մասշտաբի քվանտային ցանցն է, որը նկարագրված է 2020թ. սեպտեմբերին հրապարակված հոդվածում։ Բրիստոլում տեղակայված այս ցանցը կիրառել է արդեն գործարկված օպտիկամանրաթելային ենթակառուցվածքը և գործել առանց ակտիվ միացման կամ վստահված հանգույցների:

2022թ․ Չինաստանի Գիտության և տեխնոլոգիայի համալսարանի և Ճինանի քվանտային տեխնոլոգիաների ինստիտուտի հետազոտողները ցուցադրեցին քվանտային ձուլում երկու հիշողության սարքերի միջև, որոնք տեղակայված էին միմյանցից 12.5 կմ հեռավորության վրա՝ քաղաքային միջավայրում:

Նույն թվականին Նիդեռլանդների Դելֆթի տեխնոլոգիական համալսարանի ֆիզիկոսները զգալի առաջընթաց գրանցեցին ապագայի ցանցի ուղղությամբ՝ կիրառելով «քվանտային տելեպորտացիա» կոչվող տեխնիկան, որը թույլ տվեց տվյալները ուղարկել երեք ֆիզիկական վայր, մինչ այդ հնարավոր էր միայն երկուսի միջև:

2024թ․ Մեծ Բրիտանիայի և Գերմանիայի հետազոտողները առաջին անգամ հաջողեցին արտադրել, պահպանել և վերականգնել քվանտային տեղեկատվությունը։ Այս ձեռքբերումը ներառում էր քվանտային կետի լուսային աղբյուրի և քվանտային հիշողության համակարգի կապակցում, ինչը ճանապարհ հարթեց գործնական կիրառությունների համար՝ չնայած այնպիսի խնդիրների, ինչպիսիք են երկար տարածությունների դեպքում քվանտային տեղեկատվության կորուստը:

2025թ․ փետրվարին Օքսֆորդի համալսարանի հետազոտողները փորձարարորեն ցույց տվեցին քվանտային հաշվարկումների բաշխումը երկու ֆոտոնային կապով միացված իոնային մոդուլների միջև։ Յուրաքանչյուր մոդուլ պարունակում էր նվիրված ցանցային և սխեմայական քուբիտներ, և դրանք բաժանված էին միմյանցից մոտավորապես երկու մետր հեռավորությամբ։ Թիմին հաջողվեց դետերմինիստական տելեպորտացիա իրականացնել վերահսկվող-Z դարպասի միջև, որը գտնվում էր տարբեր մոդուլների քուբիտներում՝ հասնելով 86% ճշգրտության։ Փորձը նաև նշանավորեց բաշխված քվանտային ալգորիթմի առաջին իրագործումը, որը բաղկացած էր բազմակի ոչ-տեղային երկքուբիտ դարպասներից՝ մասնավորապես Գրովերի որոնման ալգորիթմը, որն իրականացվեց 71% հաջողությամբ։ Այս առաջխաղացումները նշանակալի քայլ էին դեպի մասշտաբային քվանտային հաշվարկում և քվանտային ինտերնետի զարգացում։

### Հաշվարկման համար քվանտային ցանցեր
2021թ․ Գերմանիայի Մաքս Պլանկի քվանտային օպտիկայի ինստիտուտի հետազոտողները հաղորդեցին բաշխված քվանտային համակարգիչների համար քվանտային տրամաբանական դարպասների առաջին նախատիպի մասին։

### Փորձարարական քվանտային մոդեմներ
Գերմանիայի Գարխինգ քաղաքում գտնվող Մաքս Պլանկի քվանտային օպտիկայի ինստիտուտի գիտական խումբը հաջողություններ է գրանցում քվանտային տվյալների փոխանցման գործում՝ թռչող և կայուն քյուբիտներից՝ ինֆրակարմիր սպեկտրի համընկնման միջոցով։ Սա պահանջում է բարդ, գերծանրաբեռնված իտրիումի սիլիկատե բյուրեղ, որը «սենդվիչ» է ստեղծում երբիումի շուրջ՝ հայելային միջավայրում՝ օպտիկամանրաթելային ցանցերում առկա ինֆրակարմիր ալիքների ռեզոնանսային համընկնում ապահովելու համար։ Թիմին հաջողվեց ցուցադրել, որ սարքը աշխատում է առանց տվյալների կորստի։
### Բջջային քվանտային ցանցեր
2021թ․ Չինաստանում հետազոտողները հաղորդեցին հաջողված փորձի մասին՝ ձուլված ֆոտոնների փոխանցում դրոնների միջև, որոնք օգտագործվել էին որպես հանգույցներ բջջային քվանտային ցանցերի կամ ճկուն ցանցային ընդարձակումների զարգացման համար։ Սա կարող էր լինել առաջին փորձը, որտեղ ձուլված մասնիկներ փոխանցվեցին երկու շարժվող սարքերի միջև։

Բացի այդ, ուսումնասիրվել է քվանտային հաղորդակցությունների կիրառումը՝ 6G բջջային ցանցերը բարելավելու համար համատեղ հայտնաբերման և տվյալների փոխանցման ոլորտում՝ քվանտային ձուլման կիրառմամբ, որտեղ հնարավոր են առավելություններ, ինչպիսիք են անվտանգությունը և էներգաարդյունավետությունը։
### Քվանտային բանալիի բաշխման ցանցեր
Տեղադրվել են մի քանի փորձարարական ցանցեր, որոնք հարմարեցված են քվանտային բանալիի բաշխման առաջադրանքին՝ είτε կարճ տարածությունների համար (բայց միացնելով բազմաթիվ օգտատերերի), կամ էլ մեծ տարածությունների համար՝ ապավինելով վստահված ռեպիտերների։ Այս ցանցերը դեռևս չեն թույլ տալիս քյուբիտների վերջից-վերջ փոխանցում կամ հեռավոր հանգույցների միջև ձուլման վերջից-վերջ ստեղծում։

**DARPA Quantum Network**
:2000-ականների սկզբին DARPA-ն սկսեց քվանտային ցանցի զարգացման նախագիծ՝ ապահով հաղորդակցություն իրականացնելու նպատակով։ DARPA Quantum Network-ը գործարկվեց BBN Technologies լաբորատորիայում 2003թ. վերջում և հետագայում 2004-ին ընդլայնվեց՝ ներառելով հանգույցներ Հարվարդում և Բոստոնի համալսարանում։ Ցանցը բաղկացած է մի քանի ֆիզիկական շերտերից, այդ թվում՝ օպտիկական մանրաթելեր, որոնք աջակցում են փուլով մոդուլացված լազերներ և թակարդված ֆոտոններ, ինչպես նաև ազատ տարածության կապեր:

;SECOQC Vienna QKD network
:2003-2008թթ․ Secure Communication based on Quantum Cryptography (SECOQC) նախագիծը ստեղծեց համագործակցային ցանց մի շարք եվրոպական հաստատությունների միջև։ SECOQC նախագծի համար ընտրված ճարտարապետությունը վստահված ռեպիտերային ճարտարապետություն էր, որը բաղկացած էր սարքերի միջև կետ-կետ քվանտային կապերից, որտեղ երկար հեռավորությունների հաղորդակցությունն իրականացվում էր ռեպիտերների միջոցով:

;Chinese hierarchical network
:2009թ․ մայիսին Չինաստանի Վուհու քաղաքում ցուցադրվեց հիերարխիկ քվանտային ցանց։ Ցանցը բաղկացած է չորս հանգույցներից կազմված հիմնական ցանցից, որոնք միացնում են մի շարք ենթացանցեր։ Հիմնական հանգույցները կապված են օպտիկական անցումային քվանտային ռոութերի միջոցով։ Յուրաքանչյուր ենթացանցի հանգույցները նույնպես կապված են օպտիկական անցումով և միացված են հիմնական ցանցին վստահված միջնորդի միջոցով:

;Geneva area network (SwissQuantum)
:SwissQuantum ցանցը, որը մշակվել և փորձարկվել է 2009-2011թթ․, կապեց CERN-ի, Ժնևի համալսարանի և hepia-ի կառույցները։ SwissQuantum ծրագիրը կենտրոնացած էր SECOQC-ից և այլ հետազոտական քվանտային ցանցերից ստացված տեխնոլոգիաները արտադրական միջավայր տեղափոխելու վրա։ Մասնավորապես՝ ինտեգրումը գործող հեռահաղորդակցական ցանցերի հետ, ինչպես նաև դրա հուսալիությունն ու կայունությունը:

;Tokyo QKD network
:2010թ․ մի շարք ճապոնական կազմակերպություններ և Եվրոպական Միությունը ստեղծեցին և փորձարկեցին Տոկիոյի QKD ցանցը։ Տոկիոյի ցանցը հիմնված էր գործող QKD տեխնոլոգիաների վրա և ընդունել էր SECOQC-ին նման ճարտարապետություն։ Առաջին անգամ մեկանգամյա բանալիով գաղտնագրումը իրականացվեց բավարար արագությամբ, որպեսզի ապահովի վերջնական օգտատերերի կիրառություններ, ինչպիսիք են անվտանգ ձայնային և վիդեո կապը։ Նախկին մեծածավալ QKD ցանցերը սովորաբար օգտագործում էին դասական գաղտնագրային ալգորիթմներ, ինչպես AES-ը, բարձր արագության տվյալների փոխանցման համար և քվանտային բանալիներն օգտագործում էին ցածր արագության տվյալների կամ այդ դասական ալգորիթմների բանալիները պարբերաբար թարմացնելու համար։

;Beijing-Shanghai Trunk Line
:2017թ․ սեպտեմբերին պաշտոնապես բացվեց Պեկին-Շանհայ քվանտային բանալու բաշխման 2000 կմ երկարությամբ ցանցը։ Այս գծամասն ծառայում է որպես հիմնական ողնաշար, որը միացնում է Պեկինի, Շանհայի, Շանդուն նահանգի Ջինանի և Անհուի նահանգի Հեֆեյի քվանտային ցանցերը։ Բացման արարողության ժամանակ Bank of Communications-ի երկու աշխատակիցներ Շանհայից Պեկին գործարք իրականացրեցին ցանցի միջոցով։ State Grid Corporation of China-ն նույնպես մշակում է կառավարման հավելված այս կապի համար։ Գիծը օգտագործում է 32 վստահված հանգույցներ որպես ռեպիտերներ։ Վուհանում՝ Հուբեյ նահանգի մայրաքաղաքում, արդեն ծառայության է հանձնվել քվանտային հեռահաղորդակցական ցանց, որը կմիանա գծամասնին։ Մյուս նմանատիպ քաղաքային ցանցերը Յանցզի գետի երկայնքով ևս նախատեսվում է ստեղծել։
:2021թ․ այս ցանցի հետ աշխատող գիտնականները հաղորդեցին, որ նրանք համակցել են ավելի քան 700 օպտիկական մանրաթել երկու գետնի-արբանյակի QKD կապերի հետ՝ վստահված ռելեյի կառուցվածքի միջոցով՝ հանգույցների միջև հասնելով մոտ ~4600 կմ ընդհանուր հեռավորության։ Սա դարձնում է այն Երկրի ամենամեծ ինտեգրված քվանտային հաղորդակցման ցանցը։

; **IQNET**
:IQNET (Intelligent Quantum Networks and Technologies) ծրագիրը հիմնադրվել է 2017թ․ Կալտեխի և AT&T-ի կողմից։ Նրանք համագործակցում են Ֆերմիի Ազգային Արագացուցիչ Լաբորատորիայի և Ջետային Շարժիչների Լաբորատորիայի հետ։ 2020թ․ դեկտեմբերին IQNET-ը հրապարակեց աշխատանք PRX Quantum ամսագրում, որտեղ ներկայացվում էր հաջողված տելեպորտացիա ժամանակային բին քվիբիթների՝ 44 կմ օպտիկական մանրաթելով։ Առաջին անգամ հրապարակված աշխատանքում ներառված էր նաև փորձարարական կազմաձևի տեսական մոդելավորում։ Չափումների համար կատարված փորձարկումները իրականացվել են Կալտեխի և Ֆերմիլաբի քվանտային ցանցերում։ Այս հետազոտությունը կարևոր քայլ է ապագայի քվանտային ինտերնետի ստեղծման համար, որը հեղափոխական փոփոխություն կբերի ապահով հաղորդակցության, տվյալների պահպանման, ճշգրիտ սենսորիկայի և հաշվարկների ոլորտներում։

## Ծանոթագրություններ

Կատեգորիա:Գաղտնագրություն
Կատեգորիա:Զարգացող տեխնոլոգիաներ
Կատեգորիա:Թվային տեխնոլոգիաներ
Կատեգորիա:Համակարգչային ցանցեր
Կատեգորիա:Համացանց
Կատեգորիա:Հեռահաղորդակցություն
Կատեգորիա:Քվանտային մեխանիկա