一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用方法及系统

1.本发明涉及量子通信与量子计算机网络技术领域，尤其涉及一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用方法及系统。


背景技术：

2.量子物理学是一种在微观层面上描述光子、原子、电子等微观物体行为的物理理论，量子信息利用微观世界量子物理特性来处理信息。量子计算机是一种利用量子特性的计算设备，允许人们写入、存储、处理和读出以量子态编码的信息。量子计算的基本信息单元是量子比特，具有叠加、纠缠的量子特性。
3.量子通信和量子计算都在快速发展，未来将会形成全球性的量子互联网，全球量子计算机网络也会形成。目前，主要有两种技术路线建立量子连接所需的量子纠缠链路：光纤量子链路和卫星量子链路。
4.现阶段，量子计算机还在发展初期，但是未来会像经典计算机在全球范围形成量子计算机的网络，量子计算机之间要实现量子信号的传输需要进行量子连接。目前连接两台量子计算机都是在近距离内通过光纤链路连接，由于光纤对量子信号的损耗较大，光纤量子链路较短，量子中继技术通过光纤链路要实现千公里级的量子连接还有很多技术困难需要克服。
5.由于光纤对量子信号的损耗，而且在量子不可克隆原理下不能依靠传统的光纤放大方法，光纤量子网络需要量子中继技术才能实现较长距离的量子链路。但即使使用量子中继器，光纤量子纠缠链路的距离目前仍然限制在百公里级，适合城域大小的量子网络。
6.而卫星利用自由空间来传输纠缠的光子。卫星上放置纠缠光子源，纠缠对的每个光子直接传输到由配备光学接口的量子存储单元组成的地面站。通过接收光子并将其状态存储在量子存储器中，可以建立一个量子纠缠链路直接连接到接收该纠缠对的另一个光子的地面站。与光纤相比，自由空间的衰减要小得多，因此量子信号可以传输和链接更长的距离。在最近的实验中，中国的墨子号量子卫星已经证明了在长达1200公里距离上的纠缠分发。但是，卫星量子链路需要通过地面站与量子卫星建立连接，在量子计算机的网络中，我们无法做到给每一个量子计算机都建立与卫星进行链接的地面站。
7.因此，有必要提供一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用方法及系统来解决上述技术问题。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题之一，本发明提出一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用系统，部署在各量子计算机之间，所述量子计算机包括量子计算单元和经典计算单元，单台量子计算机的量子计算单元和经典计算单元相互连接分别执行不同类型的计算任务；各量子计算机之间的量子计算单元和经典计算单元分别对应连接，所述量子计算单元通过量子纠缠链路进行相互连接，并形成远程量子计算机网络；所述经典计算单元通过经典互
联网进行相互连接；其中，所述量子纠缠链路包括卫星量子链路和光纤量子链路；所述光纤量子链路通过量子计算机之间的光纤线路实现量子纠缠链路；所述卫星量子链路包括量子计算机与量子卫星之间的量子纠缠链路和多个量子卫星之间的量子纠缠链路。
9.具体的，所述远程量子计算机网络包括若干个量子计算城域网，所述量子计算城域网包括一个枢纽量子计算机和若干普通量子计算机；所述普通量子计算机通过光纤量子链路分别与枢纽量子计算机建立量子纠缠链路，各量子计算城域网通过卫星量子链路在枢纽量子计算机之间建立量子纠缠链路。
10.作为更进一步的解决方案，在进行卫星量子链路通信时，所述卫星量子链路通过量子卫星和地面站将需要进行相互通信的量子计算机a和量子计算机b进行相互链接；所述量子计算机a和量子计算机b的量子计算单元分别与地面站a和地面站b进行连接，其中，所述量子计算机a和量子计算机b均为枢纽量子计算机。
11.作为更进一步的解决方案，所述量子计算机a和量子计算机b通过量子卫星建立量子纠缠链路：所述量子卫星上放置有纠缠光子源，所述纠缠光子源的光子直接传输到配备光学接口的量子存储器组成的地面站；所述地面站通过接收光子并将光子的状态存储在量子存储器中，枢纽量子计算机需要纠缠光子的时候地面站从存储器传输光子给枢纽量子计算机，从而建立枢纽量子计算机之间的量子纠缠链路。作为更进一步的解决方案，所述地面站a和地面站b通过同样的方式建立量子卫星和地面站之间的量子纠缠链路：所述量子卫星上放置有纠缠光子源，所述纠缠光子源的每个光子直接传输到配备光学接口的量子存储器组成的地面站；所述地面站通过接收光子并将光子的状态存储在量子存储器中，从而建立量子卫星和地面站之间的量子纠缠链路。
12.作为更进一步的解决方案，在进行光纤量子链路通信时，所述光纤量子链路通过光纤线路将需要进行相互通信的量子计算机c和量子计算机d进行相互连接；所述量子计算机c和量子计算机d的量子计算单元分别通过光纤线路进行直接连接或者通过量子中继进行连接；其中，所述量子计算机c和量子计算机d均为普通量子计算机；或者其中任一为枢纽量子计算机，另一为当前枢纽量子计算机所处量子计算城域网下的普通量子计算机。
13.作为更进一步的解决方案，所述光纤量子链路用于建立百公里级的量子纠缠链路；所述卫星量子链路用于建立千公里级的量子纠缠链路。
14.作为更进一步的解决方案，所述卫星量子链路还通过设置中继卫星进行量子纠缠链路的距离延长；所述中继卫星设置一个或者多个，并与量子卫星呈链状连接，得到卫星链路；所述卫星链路的一端发射纠缠光至地面站a或建立量子纠缠链路，另一端发射纠缠光至地面站b或建立量子纠缠链路，在进行卫星量子链路通信时，通信信息通过卫星链路进行传输。
15.作为更进一步的解决方案，所述经典计算单元采用传统硅基芯片计算机进行设置，所述经典互联网通过适配各类互联网通信协议，并通过有线和/或无线的连接方式将信息通过互联网进行传输共享。
16.一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用方法，运用在如上述任一项的一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用系统中，包括响应量子计算服务请求，根据所述服务请求选择远程量子计算机网络应用系统中的目标量子计算机，目标量子计算机通过量子纠缠链路进行量子计算任务协同，完成相应的量子计算任务并把计算结果提供给用户；
其中，量子纠缠链路包括卫星量子链路和光纤量子链路。
17.作为更进一步的解决方案，当需要进行相互通信的两量子计算机处于同一个量子计算城域网时，两量子计算机直接通过当前量子计算城域网的枢纽量子计算机建立量子纠缠链路；所述量子纠缠链路均通过光纤量子链路进行设置，并完成信息的传输与分享。
18.作为更进一步的解决方案，当需要进行相互通信的两量子计算机处于不同一个量子计算城域网时，两量子计算机先通过光纤量子链路与各自量子计算城域网的枢纽量子计算机建立量子纠缠链路，各自量子计算城域网的枢纽量子计算机再通过卫星量子链路建立量子纠缠链路，并完成信息的传输与分享。
19.与相关技术相比较，本发明提供的一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用方法及系统具有如下有益效果：本发明通过卫星量子链路和光纤量子链路配合使用实现了不同距离之间量子计算机的连接与通信，在近距离传输时，我们采用光纤量子链路进行，通过枢纽量子计算机连接到每一台普通量子计算机，从而形成量子计算城域网；在此基础上，各量子计算城域网需要进行彼此通信时，则是通过更适合长距离传输的卫星量子链路进行，每一台枢纽量子计算机都与量子卫星建立量子链路，从而实现彼此的通信；因此，本发明所提出的方案具备实用性、创新性和极大的推广价值。
附图说明
20.图1为本发明提供的一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用系统的整体结构示意图；图2为本发明提供的一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用系统的卫星量子链路结构图；图3为本发明提供的一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用系统的中继卫星链路图。
具体实施方式
21.以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
22.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
23.另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
24.如图1至图3所示，本发明提供的一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用系统，部署在各量子计算机之间，所述量子计算机包括量子计算单元和经典计算单元，单台量子计算机的量子计算单元和经典计算单元相互连接分别执行不同类型的计算任务（在一种可能的实施例中，量子计算单元用于执行基于某个特定量子计算算法的计算任务，经典计算单元用于执行相应的辅助计算任务；在另一种可能的实施中，多个量子计算机的量子计
算单元进行分布式协同完成执行基于某个特定量子计算算法的计算任务；例如，多个量子计算机采用分布式协同进行快速的非结构化数据库的搜索任务；利用量子shor算法进行大数的质因子分解）；各量子计算机之间的量子计算单元和经典计算单元分别对应连接，所述量子计算单元通过量子纠缠链路进行相互连接，并形成远程量子计算机网络；所述经典计算单元通过经典互联网进行相互连接；其中，所述量子纠缠链路包括卫星量子链路和光纤量子链路；所述光纤量子链路通过量子计算机之间的光纤线路实现量子纠缠链路；所述卫星量子链路包括量子计算机与量子卫星之间的量子链路和多个量子卫星之间的量子纠缠链路。
25.具体的，所述远程量子计算机网络包括若干个量子计算城域网，所述量子计算城域网包括一个枢纽量子计算机和若干普通量子计算机；所述普通量子计算机通过光纤量子链路分别与枢纽量子计算机建立量子纠缠链路，各量子计算城域网通过卫星量子链路在枢纽量子计算机之间建立量子纠缠链路。
26.需要说明的是：现有的光纤量子链路需要量子中继技术才能实现较长距离的量子纠缠链路；但即使使用量子中继器，光纤量子纠缠链路的距离目前仍然限制在百公里级，适合城域的量子网络。因此，在传统的光纤量子链路无法解决千公里及以上的量子通信需求；而使用量子卫星则可以实现长距离量子纠缠链接，覆盖千公里级的网络，与基于光纤的网络相比在纠缠分发方面具有明显的优势，较容易连接任意两个远距离节点，对实现全球量子互联网具有明显的优势。
27.因此，本实施例通过卫星量子链路和光纤量子链路共同组成远程量子计算机网络，如图1所示，在近距离传输时，我们采用光纤量子链路进行，通过枢纽量子计算机连接到每一台普通量子计算机，从而形成量子计算城域网；在此基础上，各量子计算城域网需要进行彼此通信时，则是通过更适合长距离传输的卫星量子链路进行，每一台枢纽量子计算机都与量子卫星建立量子链路，从而实现彼此的通信。
28.补充说明：卫星量子链路直接连接的量子计算机称为枢纽量子计算机，枢纽量子计算机之间距离通常在千公里级，枢纽量子计算机连接成量子计算骨干网。以枢纽量子计算机节点连接其他量子计算机形成地面的百公里级量子计算机城域网以及更小的量子计算机局域网络，每个量子计算城域网内枢纽量子计算机通过光纤与其他量子计算机量子连接，因此通过卫星量子链路可以连接远距离的量子计算机城域网，结合光纤量子链路可以实现远距离任意两台量子计算机的量子纠缠连接。
29.此外，完整的量子计算机包括有经典计算单元，经典计算单元用于控制量子计算单元和完成经典计算任务，量子计算单元和经典计算单元相互紧密连接，远距离的经典计算机之间通过传统经典互联网连接。本实施例旨在解决量子计算机之间的通信网络问题，对经典计算单元之间的通信直接采用现有的经典互联网连接。
30.作为更进一步的解决方案，在进行卫星量子链路通信时，所述卫星量子链路通过量子卫星和地面站将需要进行相互通信的量子计算机a和量子计算机b进行相互链接；所述量子计算机a和量子计算机b的量子计算单元分别与地面站a和地面站b进行连接，所述地面站a和地面站b分别与量子卫星建立量子纠缠链路或接收量子卫星发射的纠缠光，其中，所述量子计算机a和量子计算机b均为枢纽量子计算机。
31.如图2所示，通过量子卫星向地面的量子计算机分发纠缠量子信号实现千公里级
量子连接，此处的量子计算机a和量子计算机b均指的是任意两个需要建立远距离通信的量子计算机，而非特指代号，即：巨大的远程量子计算机网络可以分解为最基本的两两通信连接的量子计算机a和量子计算机b；同样的，地面站a和地面站b也非特指代号，而是指的量子计算机a和量子计算机b对应的地面站。
32.作为更进一步的解决方案，所述量子计算机a和量子计算机b通过量子卫星建立量子纠缠链路：所述量子卫星上放置有纠缠光子源，所述纠缠光子源的光子直接传输到配备光学接口的量子存储器组成的地面站；所述地面站通过接收光子并将光子的状态存储在量子存储器中，枢纽量子计算机需要纠缠光子的时候地面站从存储器传输光子给枢纽量子计算机，从而建立枢纽量子计算机之间的量子纠缠链路。或者，所述地面站a和地面站b通过同样的方式建立量子卫星和地面站之间的量子纠缠链路：所述量子卫星上放置有纠缠光子源，所述纠缠光子源的每个光子直接传输到由配备光学接口的量子存储器组成的地面站；所述地面站通过接收光子并将光子的状态存储在量子存储器中，从而建立量子卫星和地面站之间的量子纠缠链路。
33.作为更进一步的解决方案，在进行光纤量子链路通信时，所述光纤量子链路通过光纤线路将需要进行相互通信的量子计算机c和量子计算机d进行相互连接；所述量子计算机c和量子计算机d的量子计算单元分别通过光纤线路进行直接连接或者通过量子中继进行连接；其中，所述量子计算机c和量子计算机d均为普通量子计算机；或者其中任一为枢纽量子计算机，另一为当前枢纽量子计算机所处量子计算城域网下的普通量子计算机。
34.作为更进一步的解决方案，所述光纤量子链路用于建立百公里级的量子纠缠链路；所述卫星量子链路用于建立千公里级的量子纠缠链路。
35.作为更进一步的解决方案，所述卫星量子链路还通过设置中继卫星进行量子纠缠链路的距离延长；所述中继卫星设置一个或者多个，并与量子卫星呈链状连接，得到卫星链路；所述卫星链路的一端发射纠缠光至地面站a，另一端发射纠缠光至地面站b；或者，所述卫星链路的一端与地面站a建立量子纠缠链路，另一端与地面站b建立量子纠缠链路，在进行卫星量子链路通信时，通信信息通过卫星链路进行传输。
36.需要说明的是：如果需要连接更长距离的卫星链路，可以采用增加卫星中继的办法，如图3所示，以两个量子卫星为例，实际中还可以根据需要增加量子卫星。
37.作为更进一步的解决方案，所述经典计算单元采用传统硅基芯片计算机进行设置，所述经典互联网通过适配各类互联网通信协议，并通过有线和/或无线的连接方式将信息通过互联网进行传输共享。
38.一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用方法，运用在如上述任一项的一种基于量子卫星的远程量子计算机网络应用系统中，包括响应量子计算服务请求，根据所述服务请求选择远程量子计算机网络应用系统中的目标量子计算机，目标量子计算机通过量子纠缠链路进行量子计算任务协同，完成相应的量子计算任务并把计算结果提供给用户；其中，量子纠缠链路包括卫星量子链路和光纤量子链路；量子计算任务包括但不限于数据搜索和利用量子shor算法进行大数的质因子分解。
39.作为更进一步的解决方案，当需要进行相互通信的两量子计算机处于同一个量子计算城域网时，两量子计算机直接通过当前量子计算城域网的枢纽量子计算机建立量子纠缠链路；所述量子纠缠链路均通过光纤量子链路进行设置，并完成信息的传输与分享。
40.作为更进一步的解决方案，当需要进行相互通信的两量子计算机处于不同一个量子计算城域网时，两量子计算机先通过光纤量子链路与各自量子计算城域网的枢纽量子计算机建立量子纠缠链路，各自量子计算城域网的枢纽量子计算机再通过卫星量子链路建立量子纠缠链路，并完成信息的传输与分享。
41.需要说明的是：本实施例通过卫星量子链路和光纤量子链路配合使用实现了不同距离之间量子计算机的连接与通信，在近距离传输时，我们采用光纤量子链路进行，通过枢纽量子计算机连接到每一台普通量子计算机，从而形成量子计算城域网；在此基础上，各量子计算城域网需要进行彼此通信时，则是通过更适合长距离传输的卫星量子链路进行，每一台枢纽量子计算机都与量子卫星建立量子链路，从而实现彼此的通信；因此，本实施例所提出的方案具备实用性、创新性和极大的推广价值。
42.以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。