เครือข่ายควอนตัมเป็นองค์ประกอบสำคัญของ ระบบ คอมพิวเตอร์ควอนตัมและ ระบบ สื่อสารควอนตัม เครือข่าย ควอนตัมช่วยอำนวยความสะดวกในการส่งข้อมูลในรูปแบบของบิตควอนตัม หรือที่เรียกว่าคิวบิตระหว่างหน่วยประมวลผลควอนตัมที่แยกจากกันทางกายภาพ หน่วยประมวลผลควอนตัมคือเครื่องจักรที่สามารถดำเนินการวงจรควอนตัมบนคิวบิตจำนวนหนึ่งได้ เครือข่ายควอนตัมทำงานในลักษณะคล้ายกับเครือข่ายแบบคลาสสิก ความแตกต่างหลักคือเครือข่ายควอนตัม เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม มีความสามารถในการแก้ปัญหาบางอย่างได้ดีกว่า เช่น การสร้างแบบจำลองระบบควอนตัม

การคำนวณควอนตัมแบบเครือข่าย หรือการคำนวณควอนตัมแบบกระจาย^{[ 1 ] [ 2 ]}ทำงานโดยการเชื่อมโยงโปรเซสเซอร์ควอนตัมหลายตัวผ่านเครือข่ายควอนตัมโดยการส่งคิวบิตระหว่างกัน การทำเช่นนี้จะสร้างคลัสเตอร์การคำนวณควอนตัมและด้วยเหตุนี้จึงสร้างศักยภาพการคำนวณที่มากขึ้น คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าสามารถเชื่อมโยงกันในลักษณะนี้เพื่อสร้างโปรเซสเซอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นหนึ่งตัว ซึ่งคล้ายคลึงกับการเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกหลายเครื่องเพื่อสร้างคลัสเตอร์คอมพิวเตอร์ในการคำนวณแบบคลาสสิก เช่นเดียวกับการคำนวณแบบคลาสสิก ระบบนี้สามารถปรับขนาดได้โดยการเพิ่มคอมพิวเตอร์ควอนตัมลงในเครือข่ายมากขึ้นเรื่อยๆ ปัจจุบันโปรเซสเซอร์ควอนตัมอยู่ห่างกันเพียงระยะทางสั้นๆ

ในขอบเขตของการสื่อสารควอนตัมเราต้องการส่งคิวบิตจากโปรเซสเซอร์ ควอนตัมตัวหนึ่ง ไปยังอีกตัวหนึ่งในระยะทางไกล^{[ 3 ]}ด้วยวิธีนี้ เครือข่ายควอนตัมในพื้นที่สามารถเชื่อมต่อกันเป็นอินเทอร์เน็ต ควอนตัมได้ อินเทอร์เน็ตควอนตัม^{[ 1 ]}รองรับแอปพลิเคชันมากมาย ซึ่งได้รับพลังจากข้อเท็จจริงที่ว่าโดยการสร้าง คิวบิต ที่พันกันแบบควอนตัมข้อมูลสามารถส่งผ่านระหว่างโปรเซสเซอร์ควอนตัมระยะไกลได้ แอปพลิเคชันส่วนใหญ่ของอินเทอร์เน็ตควอนตัมต้องการเพียงโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพไม่สูงนัก สำหรับโปรโตคอลอินเทอร์เน็ตควอนตัมส่วนใหญ่ เช่นการกระจายคีย์ควอนตัมในการเข้ารหัสควอนตัมก็เพียงพอแล้วหากโปรเซสเซอร์เหล่านี้สามารถเตรียมและวัดคิวบิตได้เพียงครั้งละหนึ่งคิวบิตเท่านั้น ซึ่งแตกต่างจากการคำนวณควอนตัมที่แอปพลิเคชันที่น่าสนใจจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อโปรเซสเซอร์ควอนตัม (รวมกัน) สามารถจำลองคิวบิตได้มากกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก (ประมาณ 60 ^{[ 4 ]} ) แอปพลิเคชันอินเทอร์เน็ตควอนตัมต้องการเพียงหน่วยประมวลผลควอนตัมขนาดเล็ก ซึ่งมักจะเป็นเพียงคิวบิตเดียว เนื่องจากสามารถสร้างการพัวพันทางควอนตัมได้ระหว่างคิวบิตเพียงสองตัว การจำลองระบบควอนตัมที่พัวพันกันบนคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกไม่สามารถให้ทั้งความปลอดภัยและความเร็วได้พร้อมกัน

โครงสร้างพื้นฐานของเครือข่ายควอนตัม และโดยทั่วไปแล้วอินเทอร์เน็ตควอนตัมนั้น คล้ายคลึงกับเครือข่ายแบบคลาสสิก ประการแรก เรามีโหนดปลายทางซึ่งเป็นที่ที่แอปพลิเคชันต่างๆ ทำงาน โหนดปลายทางเหล่านี้เป็นโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มีอย่างน้อยหนึ่งคิวบิต แอปพลิเคชันบางอย่างของอินเทอร์เน็ตควอนตัมต้องการโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มีหลายคิวบิต รวมถึงหน่วยความจำควอนตัมที่โหนดปลายทางด้วย

ประการที่สอง ในการขนส่งคิวบิตจากโหนดหนึ่งไปยังอีกโหนดหนึ่ง เราจำเป็นต้องใช้สายสื่อสาร สำหรับการสื่อสารควอนตัมนั้น สามารถใช้ใยแก้วนำแสงมาตรฐานสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคมได้ สำหรับการคำนวณควอนตัมแบบเครือข่าย ซึ่งโปรเซสเซอร์ควอนตัมเชื่อมต่อกันในระยะทางสั้นๆ จะมีการเลือกใช้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ที่แน่นอนของโปรเซสเซอร์ควอนตัมนั้นๆ

ประการที่สาม เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานด้านการสื่อสารได้อย่างเต็มที่ จำเป็นต้องใช้สวิตช์แสงที่สามารถส่งคิวบิตไปยังตัวประมวลผลควอนตัมที่ต้องการได้ สวิตช์เหล่านี้จำเป็นต้องรักษาความสอดคล้องของควอนตัมซึ่งทำให้การสร้างสวิตช์เหล่านี้มีความท้าทายมากกว่าสวิตช์แสงมาตรฐาน

สุดท้ายนี้ จำเป็นต้องใช้ตัวทวนสัญญาณ ควอนตัม เพื่อส่งคิวบิตในระยะทางไกล ตัวทวนสัญญาณจะปรากฏอยู่ระหว่างโหนดปลาย^{[ 5 ]}เนื่องจากคิวบิตไม่สามารถคัดลอกได้ ( ทฤษฎีบทห้ามคัดลอก ) การขยายสัญญาณแบบคลาสสิกจึงเป็นไปไม่ได้ ด้วยเหตุนี้ ตัวทวนสัญญาณควอนตัมจึงทำงานในลักษณะที่แตกต่างจากตัวทวนสัญญาณแบบคลาสสิกโดยพื้นฐาน

โหนดปลายทางสามารถรับและส่งข้อมูลได้^{[ 5 ]}เลเซอร์โทรคมนาคมและการแปลงพาราเมตริกแบบดาวน์คอนเวอร์ชั่นร่วมกับโฟโตดีเทคเตอร์สามารถใช้สำหรับการกระจายคีย์ควอนตัมได้ ในกรณีนี้ โหนดปลายทางในหลายกรณีอาจเป็นอุปกรณ์ที่เรียบง่ายมากซึ่งประกอบด้วยตัวแยกแสงและโฟโตดีเทคเตอร์ เท่านั้น

อย่างไรก็ตาม สำหรับโปรโตคอลจำนวนมาก โหนดปลายทางที่ซับซ้อนกว่านั้นเป็นที่ต้องการ ระบบเหล่านี้มีขีดความสามารถในการประมวลผลขั้นสูง และยังสามารถใช้เป็นตัวทวนสัญญาณควอนตัมได้อีกด้วย ข้อได้เปรียบหลักของระบบเหล่านี้คือสามารถจัดเก็บและส่งต่อข้อมูลควอนตัมได้โดยไม่รบกวนสถานะควอนตัม พื้นฐาน สถานะควอนตัมที่ถูกจัดเก็บอาจเป็นสปินสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กหรือสถานะพลังงานของอิเล็กตรอน^{[ 5 ]}นอกจากนี้ยังสามารถดำเนินการเกตตรรกะควอนตัมได้ อีกด้วย

วิธีหนึ่งในการสร้างโหนดปลายทางดังกล่าวคือการใช้ศูนย์สีในเพชร เช่นศูนย์ไนโตรเจน-วาแคนซีระบบนี้สร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัมขนาดเล็กที่มีคิวบิต หลายตัว ศูนย์ NV สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิห้อง^{[ 5 ]}อัลกอริทึมควอนตัมขนาดเล็กและการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม^{[ 6 ]}ได้รับการสาธิตในระบบนี้แล้ว เช่นเดียวกับความสามารถในการพันกันของโปรเซสเซอร์ควอนตัมสองตัว^{[ 7 ]}และสามตัว^{[ 8 ]}และดำเนินการเทเลพอร์ตควอนตัม แบบกำหนดได้ ^{[ 9 ]}

แพลตฟอร์มที่เป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งคือโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่ใช้กับดักไอออนซึ่งใช้สนามแม่เหล็กความถี่วิทยุและเลเซอร์^{[ 5 ]}ในเครือข่ายโหนดไอออนที่ถูกดักจับหลายชนิด โฟตอนที่พันกันกับอะตอมหลักจะถูกใช้เพื่อพันกันโหนดต่างๆ^{[ 10 ]}นอกจากนี้ ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์แบบโพรง (Cavity QED) ก็เป็นวิธีการหนึ่งที่เป็นไปได้ในการทำเช่นนี้ ใน Cavity QED สถานะควอนตัมของโฟตอนสามารถถ่ายโอนไปยังและจากสถานะควอนตัมของอะตอมที่เก็บไว้ในอะตอมเดี่ยวที่บรรจุอยู่ในโพรงแสง ซึ่งช่วยให้สามารถถ่ายโอนสถานะควอนตัมระหว่างอะตอมเดี่ยวโดยใช้ใยแก้วนำแสงนอกเหนือจากการสร้างการพันกัน ระยะไกล ระหว่างอะตอมที่อยู่ห่างไกล^{[ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]}

ในระยะทางไกล วิธีการหลักในการใช้งานเครือข่ายควอนตัมคือการใช้เครือข่ายแสงและคิวบิต แบบโฟตอน เนื่องจากเครือข่ายแสงมีโอกาสเกิดการเสื่อมสภาพ น้อยกว่า นอกจากนี้ เครือข่ายแสงยังมีข้อดีคือสามารถนำใยแก้วนำแสง ที่มีอยู่แล้วมาใช้ซ้ำได้ หรืออีกทางหนึ่ง สามารถนำเครือข่ายในพื้นที่ว่างมาใช้เพื่อส่งข้อมูลควอนตัมผ่านชั้นบรรยากาศหรือผ่านสุญญากาศได้^{[ 13 ]}

เครือข่ายออปติคอลที่ใช้ใยแก้วนำแสงโทรคมนาคม ที่มีอยู่ สามารถนำไปใช้ได้โดยใช้ฮาร์ดแวร์ที่คล้ายกับอุปกรณ์โทรคมนาคมที่มีอยู่ ใยแก้วนำแสงนี้สามารถเป็นได้ทั้งแบบซิงเกิลโหมดหรือมัลติโหมด โดยแบบซิงเกิลโหมดจะช่วยให้การสื่อสารมีความแม่นยำมากขึ้น^{[ 5 ]}ที่ฝั่งผู้ส่งสามารถสร้างแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว ได้โดยการลดทอนเลเซอร์โทรคมนาคมมาตรฐานอย่างมากจนจำนวน โฟตอน เฉลี่ย ต่อพัลส์น้อยกว่า 1 สำหรับฝั่งผู้รับสามารถใช้โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ ได้ สามารถใช้วิธีการควบคุมเฟสหรือ โพลาไรเซชัน ต่างๆ ได้ เช่นอินเตอร์เฟอโรเมตรและตัวแยกแสงในกรณีของ โปรโตคอลที่ใช้ การพันกันโฟตอนที่พันกันสามารถสร้างขึ้นได้ผ่านการแปลงพาราเมตริกแบบสุ่มในทั้งสองกรณี ใยแก้วนำแสงโทรคมนาคมสามารถมัลติเพล็กซ์เพื่อส่งสัญญาณเวลาและควบคุมที่ไม่ใช่ควอนตัมได้

ในปี 2020 ทีมวิจัยที่สังกัดสถาบันหลายแห่งในประเทศจีนประสบความสำเร็จในการส่งหน่วยความจำควอนตัมที่พันกันผ่านสายเคเบิลใยแก้วขดยาว 50 กิโลเมตร^{[ 14 ]}

เครือข่ายควอนตัมในพื้นที่ว่างทำงานคล้ายกับเครือข่ายใยแก้วนำแสง แต่ต้องอาศัยการมองเห็นโดยตรงระหว่างฝ่ายที่สื่อสารกันแทนที่จะใช้การเชื่อมต่อใยแก้วนำแสง โดยทั่วไปแล้วเครือข่ายในพื้นที่ว่างสามารถรองรับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงกว่าเครือข่ายใยแก้วนำแสง และไม่ต้องคำนึงถึง การรบกวน โพลาไรเซชันที่เกิดจากใยแก้วนำแสง^{[ 15 ]} อย่างไรก็ตาม ในระยะทางไกล การสื่อสารในพื้นที่ว่างมีความเสี่ยงที่จะเกิดการรบกวนจากสิ่งแวดล้อม ต่อโฟตอนเพิ่มมากขึ้น^{[ 5 ]}

การสื่อสารในพื้นที่ว่างยังสามารถทำได้จากดาวเทียมไปยังภาคพื้นดิน ดาวเทียมควอนตัมที่สามารถ กระจาย การพันกันได้ในระยะทาง 1,203 กม. ^{[ 16 ]}ได้รับการสาธิตแล้ว นอกจากนี้ยังมีการรายงานการแลกเปลี่ยนโฟตอนเดี่ยวจากระบบดาวเทียมนำทางทั่วโลกในระยะทางเฉียง 20,000 กม. ^{[ 17 ]}ดาวเทียมเหล่านี้สามารถมีบทบาทสำคัญในการเชื่อมโยงเครือข่ายภาคพื้นดินขนาดเล็กในระยะทางที่ไกลขึ้น ในเครือข่ายพื้นที่ว่าง สภาพบรรยากาศ เช่น ความปั่นป่วน การกระเจิง และการดูดซับ ก่อให้เกิดความท้าทายที่ส่งผลต่อความถูกต้องของสถานะควอนตัมที่ส่งผ่าน เพื่อลดผลกระทบเหล่านี้ นักวิจัยจึงใช้ระบบปรับแสงแบบปรับได้ แผนการมอดูเลชั่นขั้นสูง และเทคนิคการแก้ไขข้อผิดพลาด^{[ 18 ]}ความยืดหยุ่นของโปรโตคอล QKD ต่อการดักฟังมีบทบาทสำคัญในการรับรองความปลอดภัยของข้อมูลที่ส่งผ่าน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โปรโตคอลเช่น BB84 และแผนการสถานะล่อได้ถูกปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมพื้นที่ว่างเพื่อปรับปรุงความทนทานต่อช่องโหว่ด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้น

การสื่อสารทางไกลถูกขัดขวางโดยผลกระทบของการสูญเสียสัญญาณและการเสื่อมสภาพของควอนตัม ซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของสื่อกลางในการส่งสัญญาณส่วนใหญ่ เช่น ใยแก้วนำแสง ในการสื่อสารแบบคลาสสิก สามารถใช้เครื่องขยายสัญญาณเพื่อเพิ่มความแรงของสัญญาณระหว่างการส่งได้ แต่ในเครือข่ายควอนตัมนั้นไม่สามารถใช้เครื่องขยายสัญญาณได้ เนื่องจากคิวบิตไม่สามารถคัดลอกได้ – ซึ่งรู้จักกันในชื่อทฤษฎีบทห้ามคัดลอก (no-cloning theorem ) กล่าวคือ ในการสร้างเครื่องขยายสัญญาณ จำเป็นต้องกำหนดสถานะทั้งหมดของคิวบิตที่กำลังส่ง ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์และเป็นไปไม่ได้

ขั้นตอนกลางที่ช่วยให้สามารถทดสอบโครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารได้คือตัวทวนสัญญาณที่เชื่อถือได้ ที่สำคัญคือ ตัวทวนสัญญาณที่เชื่อถือได้ไม่สามารถใช้ส่งคิวบิตในระยะทางไกลได้ แต่ตัวทวนสัญญาณที่เชื่อถือได้สามารถใช้เพื่อทำการกระจายคีย์ควอนตัม ได้เท่านั้น โดยมีข้อสมมติเพิ่มเติมว่าตัวทวนสัญญาณนั้นเชื่อถือได้ ลองพิจารณาโหนดปลายทางสองโหนด A และ B และตัวทวนสัญญาณที่เชื่อถือได้ R อยู่ตรงกลาง ตอนนี้ A และ R ทำการกระจายคีย์ควอนตัมเพื่อสร้างคีย์ในทำนองเดียวกัน R และ B ทำการกระจายคีย์ควอนตัมเพื่อสร้างคีย์ตอนนี้ A และ B สามารถรับคีย์ระหว่างกันได้ดังนี้: A ส่งข้อมูลที่เข้ารหัสด้วยคีย์ไปยัง R R ถอดรหัสเพื่อรับข้อมูล จากนั้น R เข้ารหัสใหม่โดยใช้คีย์และส่งไปยัง B B ถอดรหัสเพื่อรับข้อมูลตอนนี้ A และ B แบ่งปันคีย์กันคีย์นั้นปลอดภัยจากการดักฟังจากภายนอก แต่เห็นได้ชัดว่าตัวทวนสัญญาณ R ก็รู้ข้อมูลเช่นกัน นี่หมายความว่าการสื่อสารใดๆ ที่เกิดขึ้นระหว่าง A และ B ในภายหลังจะไม่ให้ความปลอดภัยแบบครบวงจร แต่จะปลอดภัยก็ต่อเมื่อ A และ B เชื่อถือตัวทวนสัญญาณ R เท่านั้น ${\displaystyle k_{AR}}$${\displaystyle k_{RB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AR}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{RB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AB}}$${\displaystyle k_{AB}}$

ตัวทวนสัญญาณควอนตัมที่แท้จริงช่วยให้สามารถสร้างการพัวพันควอนตัมจากต้นทางถึงปลายทางได้ และด้วยเหตุนี้ – โดยใช้การส่งผ่านควอนตัม – จึงสามารถส่งผ่าน คิวบิตจากต้นทางถึงปลายทางได้ใน โปรโตคอล การแจกจ่ายกุญแจควอนตัมเราสามารถทดสอบการพัวพันดังกล่าวได้ ซึ่งหมายความว่าเมื่อสร้างกุญแจเข้ารหัส ผู้ส่งและผู้รับจะปลอดภัยแม้ว่าพวกเขาจะไม่ไว้วางใจตัวทวนสัญญาณควอนตัมก็ตาม การใช้งานอื่นๆ ของอินเทอร์เน็ตควอนตัมก็ต้องการการส่งผ่านคิวบิตจากต้นทางถึงปลายทางเช่นกัน และด้วยเหตุนี้จึงต้องการตัวทวนสัญญาณควอนตัม

ตัวทวนสัญญาณควอนตัมช่วยให้เกิดการพัวพันและสามารถสร้างได้ที่โหนดที่อยู่ห่างไกลโดยไม่ต้องส่งคิวบิตที่พัวพันกันไปตามระยะทางทั้งหมด^{[ 19 ]}

ในกรณีนี้ เครือข่ายควอนตัมประกอบด้วยลิงก์ระยะสั้นจำนวนมาก ซึ่งอาจมีความยาวหลายสิบหรือหลายร้อยกิโลเมตร ในกรณีที่ง่ายที่สุดของตัวทวนสัญญาณตัวเดียว จะมีการสร้างคู่คิวบิตที่พันกันสองคู่ ได้แก่และซึ่งอยู่ที่ผู้ส่งและตัวทวนสัญญาณ และคู่ที่สองและซึ่งอยู่ที่ตัวทวนสัญญาณและผู้รับ คิวบิตที่พันกันเริ่มต้นเหล่านี้สามารถสร้างขึ้นได้ง่าย เช่น ผ่านการแปลงพารามิเตอร์ลงโดยส่งคิวบิตหนึ่งตัวไปยังโหนดที่อยู่ติดกัน ในจุดนี้ ตัวทวนสัญญาณสามารถทำการวัดแบบเบลล์บนคิวบิตและด้วยเหตุนี้จึงส่งสถานะควอนตัมของไปยังซึ่งมีผลในการ "สลับ" การพันกัน ทำให้และพันกันในระยะทางเป็นสองเท่าของคู่ที่พันกันเริ่มต้น จะเห็นได้ว่าเครือข่ายของตัวทวนสัญญาณดังกล่าวสามารถใช้ในลักษณะเชิงเส้นหรือแบบลำดับชั้นเพื่อสร้างการพันกันในระยะทางไกลได้^{[ 20 ] [ 21 ]}${\displaystyle |A\rangle }$${\displaystyle |R_{a}\rangle }$${\displaystyle |R_{b}\rangle }$${\displaystyle |B\rangle }$${\displaystyle |R_{a}\rangle }$${\displaystyle |R_{b}\rangle }$${\displaystyle |R_{a}\rangle }$${\displaystyle |B\rangle }$${\displaystyle |A\rangle }$${\displaystyle |B\rangle }$

แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ที่เหมาะสมเป็นโหนดปลายทางข้างต้นยังสามารถทำหน้าที่เป็นตัวทวนสัญญาณควอนตัมได้ อย่างไรก็ตาม ยังมีแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ที่เฉพาะเจาะจงเฉพาะ^{[ 22 ]}สำหรับงานในการทำหน้าที่เป็นตัวทวนสัญญาณโดยไม่มีความสามารถในการดำเนินการเกตควอนตัม

การแก้ไขข้อผิดพลาดสามารถนำมาใช้ในอุปกรณ์ทวนสัญญาณควอนตัมได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดทางเทคโนโลยี การใช้งานจึงจำกัดอยู่เฉพาะระยะทางสั้นๆ เท่านั้น เพราะวิธีการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมที่สามารถปกป้องคิวบิตในระยะทางไกลๆ นั้นจำเป็นต้องใช้คิวบิตจำนวนมหาศาล และด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่มากเช่นกัน

ข้อผิดพลาดในการสื่อสารสามารถจำแนกได้กว้างๆ เป็นสองประเภท: ข้อผิดพลาดจากการสูญเสีย (เนื่องจากใยแก้วนำแสง /สภาพแวดล้อม) และข้อผิดพลาดจากการดำเนินการ (เช่นการลดขั้วการลดเฟส เป็นต้น) ในขณะที่ความซ้ำซ้อนสามารถใช้เพื่อตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดแบบคลาสสิกได้ แต่ไม่สามารถสร้างคิวบิตที่ซ้ำซ้อนได้เนื่องจากทฤษฎีบทห้ามการโคลนนิ่ง ดังนั้นจึงต้องมีการแนะนำการแก้ไขข้อผิดพลาดประเภทอื่น เช่นรหัสชอร์หรือรหัสทั่วไปและมีประสิทธิภาพอื่นๆ อีกหลายรหัส รหัสเหล่านี้ทั้งหมดทำงานโดยการกระจายข้อมูลควอนตัมไปทั่วคิวบิตที่พันกันหลายตัว เพื่อให้สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดจากการดำเนินการและข้อผิดพลาดจากการสูญเสียได้^{[ 23 ]}

นอกเหนือจากการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบควอนตัมแล้ว การแก้ไขข้อผิดพลาดแบบคลาสสิกยังสามารถนำมาใช้ในเครือข่ายควอนตัมได้ในกรณีพิเศษ เช่น การกระจายกุญแจควอนตัม ในกรณีเหล่านี้ เป้าหมายของการสื่อสารควอนตัมคือการส่งสตริงของบิตแบบคลาสสิกอย่างปลอดภัย รหัสแก้ไขข้อผิดพลาดแบบดั้งเดิม เช่นรหัสแฮมมิงสามารถนำมาใช้กับสตริงบิตก่อนการเข้ารหัสและการส่งผ่านเครือข่ายควอนตัมได้

การลด ทอนความสอดคล้องของควอนตัมสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อคิวบิตหนึ่งตัวจากสถานะเบลล์ที่พันกันสูงสุดถูกส่งผ่านเครือข่ายควอนตัม การทำให้บริสุทธิ์ของการพันกันช่วยให้สามารถสร้างคิวบิตที่พันกันเกือบสูงสุดจากคิวบิตที่พันกันอย่างอ่อนจำนวนมาก และด้วยเหตุนี้จึงให้การป้องกันเพิ่มเติมจากข้อผิดพลาด การทำให้บริสุทธิ์ของการพันกัน (หรือที่รู้จักกันในชื่อการกลั่นการพันกัน ) ได้รับการสาธิตแล้วในศูนย์ไนโตรเจน-วาแคนซีในเพชร^{[ 24 ]}

อินเทอร์เน็ตควอนตัมรองรับแอปพลิเคชันมากมาย ซึ่งเป็นไปได้ด้วยการพัวพันควอนตัมโดยทั่วไปแล้ว การพัวพันควอนตัมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานที่ต้องการการประสานงาน การซิงโครไนซ์ หรือความเป็นส่วนตัว

ตัวอย่างของการใช้งานดังกล่าว ได้แก่การกระจายคีย์ควอนตัม [ ^{25 ] [ 26 ]}การรักษาเสถียรภาพของนาฬิกา^{[ 27 ] โปรโตคอลสำหรับ}ปัญหาของระบบกระจาย เช่น การเลือกผู้นำหรือข้อตกลงไบแซนไทน์ [ ^{5 ]}การขยายฐานของกล้องโทรทรรศน์ [ ^{28 ] [ 29 ]} รวมถึงการตรวจสอบตำแหน่ง^{[ 30 ] [ 31 ] การระบุตัวตนที่ ปลอดภัย}และการเข้ารหัสแบบสองฝ่ายในแบบจำลองการจัดเก็บที่มีสัญญาณรบกวนอินเทอร์เน็ตควอนตัมยังช่วยให้สามารถเข้าถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อย่างปลอดภัย^{[ 32 ] ในระบบค}ลาวด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อินเทอร์เน็ตควอนตัมช่วยให้อุปกรณ์ควอนตัมที่ง่ายมากสามารถเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมระยะไกลได้ในลักษณะที่สามารถทำการคำนวณได้โดยที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่รู้ว่าการคำนวณนั้นคืออะไร (ไม่สามารถวัดสถานะควอนตัมขาเข้าและขาออกได้โดยไม่ทำลายการคำนวณ แต่จะทราบองค์ประกอบวงจรที่ใช้ในการคำนวณ)

เมื่อพูดถึงการสื่อสารในรูปแบบใดก็ตาม ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือการรักษาความเป็นส่วนตัวของการสื่อสารเหล่านี้^{[ 33 ]}เครือข่ายควอนตัมจะช่วยให้สามารถสร้าง จัดเก็บ และส่งข้อมูลได้ ซึ่งอาจบรรลุ "ระดับความเป็นส่วนตัว ความปลอดภัย และความสามารถในการคำนวณที่ไม่สามารถบรรลุได้ด้วยอินเทอร์เน็ตในปัจจุบัน" ^{[ 34 ]}

โดยการใช้ตัวดำเนินการควอนตัมที่ผู้ใช้เลือกกับระบบข้อมูล ข้อมูลนั้นจะสามารถส่งไปยังผู้รับได้โดยไม่มีโอกาสที่ผู้ดักฟังจะสามารถบันทึกข้อมูลที่ส่งได้อย่างแม่นยำโดยที่ทั้งผู้ส่งและผู้รับไม่รู้ตัว แตกต่างจากข้อมูลแบบคลาสสิกที่ส่งเป็นบิตและกำหนดค่าเป็น 0 หรือ 1 ข้อมูลควอนตัมที่ใช้ในเครือข่ายควอนตัมใช้บิตควอนตัม (qubits) ซึ่งสามารถมีค่าได้ทั้ง 0 และ 1 ในเวลาเดียวกัน โดยอยู่ในสถานะซ้อนทับ [ ^{34 ] [ 35 ] สิ่ง}นี้ทำงานได้เพราะหากผู้ฟังพยายามดักฟัง พวกเขาจะเปลี่ยนแปลงข้อมูลในลักษณะที่ไม่ตั้งใจโดยการฟัง ซึ่งจะทำให้ผู้ที่พวกเขากำลังโจมตีรู้ความลับ ประการที่สอง หากไม่มีตัวดำเนินการควอนตัมที่เหมาะสมในการถอดรหัสข้อมูล พวกเขาจะทำให้ข้อมูลที่ส่งเสียหายโดยที่ไม่สามารถใช้งานได้เอง ยิ่งไปกว่านั้น qubits สามารถเข้ารหัสได้ในวัสดุหลากหลายชนิด รวมถึงในโพลาไรเซชันของโฟตอนหรือสถานะสปินของอิเล็กตรอน^{[ 34 ]}

ตัวอย่างหนึ่งของเครือข่ายการสื่อสารควอนตัมต้นแบบคือเครือข่ายควอนตัมขนาดเมืองที่มีผู้ใช้แปดราย ซึ่งอธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2563 เครือข่ายที่ตั้งอยู่ในบริสตอลใช้โครงสร้างพื้นฐานไฟเบอร์ที่ติดตั้งไว้แล้ว และทำงานโดยไม่ต้องมีการสลับแบบแอคทีฟหรือโหนดที่เชื่อถือได้^{[ 36 ] [ 37 ]}

ในปี 2022 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนและสถาบันเทคโนโลยีควอนตัมจี่หนานได้สาธิตการพัวพันควอนตัมระหว่างอุปกรณ์หน่วยความจำสองเครื่องที่ตั้งอยู่ห่างกัน 12.5 กิโลเมตรภายในสภาพแวดล้อมในเมือง^{[ 38 ]}

ในปีเดียวกัน นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟท์ในเนเธอร์แลนด์ได้ก้าวไปสู่เครือข่ายแห่งอนาคตอย่างมีนัยสำคัญโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าควอนตัมเทเลพอร์ตชั่นซึ่งส่งข้อมูลไปยังสถานที่ทางกายภาพสามแห่ง ซึ่งก่อนหน้านี้ทำได้เพียงสองแห่งเท่านั้น^{[ 39 ]}

ในปี 2024 นักวิจัยในสหราชอาณาจักรและเยอรมนีประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกในการผลิต จัดเก็บ และเรียกค้นข้อมูลควอนตัม ความสำเร็จครั้งสำคัญนี้เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมดอทและระบบหน่วยความจำควอนตัม ซึ่งปูทางไปสู่การใช้งานจริงแม้จะมีข้อท้าทาย เช่น การสูญเสียข้อมูลควอนตัมในระยะทางไกล^{[ 40 ]}

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2568 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดได้สาธิตการกระจายการคำนวณควอนตัมระหว่างโมดูลไอออนดักจับที่เชื่อมต่อกันด้วยโฟตอนสองโมดูล แต่ละโมดูลประกอบด้วยคิวบิตเครือข่ายและวงจรเฉพาะ และอยู่ห่างกันประมาณสองเมตร ทีมงานประสบความสำเร็จในการส่งผ่านแบบกำหนดได้ของเกต Z ที่ควบคุมได้ระหว่างคิวบิตวงจรสองตัวที่อยู่ในโมดูลแยกกัน โดยบรรลุความแม่นยำ 86% การทดลองนี้ยังถือเป็นการนำอัลกอริทึมควอนตัมแบบกระจายที่ประกอบด้วยเกตสองคิวบิตที่ไม่ใช่โลคอลหลายตัวมาใช้เป็นครั้งแรก โดยเฉพาะอัลกอริทึมการค้นหาของโกรเวอร์ซึ่งดำเนินการด้วยอัตราความสำเร็จ 71% ความก้าวหน้าเหล่านี้แสดงถึงความก้าวหน้าที่สำคัญไปสู่การคำนวณควอนตัมที่ปรับขนาดได้และการพัฒนาอินเทอร์เน็ตควอนตัม^{[ 41 ]}

ในปี 2021 นักวิจัยที่สถาบัน Max Planck Institute of Quantum Optics ในประเทศเยอรมนีได้รายงานต้นแบบแรกของเกตตรรกะควอนตัมสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบกระจาย^{[ 42 ] [ 43 ]}

ทีมวิจัยที่สถาบัน Max-Planck-Institute of Quantum Opticsในเมือง Garching ประเทศเยอรมนี ประสบความสำเร็จในการขนส่งข้อมูลควอนตัมจากคิวบิตที่เคลื่อนที่และเสถียรผ่านการจับคู่สเปกตรัมอินฟราเรด ซึ่งต้องใช้ผลึกอิตเทรียมซิลิเกตที่เย็นจัดอย่างซับซ้อนเพื่อประกบเออร์เบียมในสภาพแวดล้อมที่เป็นกระจกเพื่อให้เกิดการจับคู่เรโซแนนซ์ของความยาวคลื่นอินฟราเรดที่พบในเครือข่ายใยแก้วนำแสง ทีมงานได้สาธิตการทำงานของอุปกรณ์ได้สำเร็จโดยไม่มีการสูญเสียข้อมูล^{[ 44 ]}

ในปี 2021 นักวิจัยในประเทศจีนรายงานความสำเร็จในการส่งโฟตอนที่พันกันระหว่างโดรนซึ่งใช้เป็นโหนดสำหรับการพัฒนาเครือข่ายควอนตัมเคลื่อนที่หรือส่วนขยายเครือข่ายแบบยืดหยุ่น นี่อาจเป็นงานแรกที่อนุภาคที่พันกันถูกส่งระหว่างอุปกรณ์เคลื่อนที่สองเครื่อง^{[ 45 ] [ 46 ]}นอกจากนี้ ยังมีการวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้การสื่อสารควอนตัมเพื่อปรับปรุงเครือข่ายมือถือ 6Gสำหรับการตรวจจับและการถ่ายโอนข้อมูลร่วมกันด้วยการพันกันของควอนตัม [ ^{47 ] [ 48 ] ซึ่งมีข้อได้เปรียบที่เป็นไป ได้}เช่น ความปลอดภัยและประสิทธิภาพด้านพลังงาน^{[ 49 ]}

มีการติดตั้งเครือข่ายทดสอบหลายเครือข่ายที่ออกแบบมาเพื่อรองรับภารกิจการกระจายกุญแจควอนตัม ทั้งในระยะทางสั้นๆ (แต่เชื่อมต่อผู้ใช้จำนวนมาก) หรือในระยะทางที่ไกลขึ้นโดยอาศัยตัวทวนสัญญาณที่เชื่อถือได้ เครือข่ายเหล่านี้ยังไม่รองรับการส่ง คิวบิตแบบต้นทาง-ปลายทางหรือการสร้างเอนแทงเกิลเมนต์แบบต้นทาง-ปลายทางระหว่างโหนดที่อยู่ห่างไกลกัน

เครือข่ายควอนตัม DARPA

ตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 2000 DARPA เริ่มให้การสนับสนุนโครงการพัฒนาเครือข่ายควอนตัมโดยมีเป้าหมายเพื่อการสื่อสารที่ปลอดภัยเครือข่ายควอนตัมของ DARPAเริ่มใช้งานได้ใน ห้องปฏิบัติการ BBN Technologiesในช่วงปลายปี 2003 และขยายเพิ่มเติมในปี 2004 เพื่อรวมโหนดที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและบอสตัน เครือข่ายประกอบด้วยเลเยอร์ทางกายภาพหลายชั้น รวมถึงใยแก้วนำแสงที่รองรับเลเซอร์แบบปรับเฟสและโฟตอนที่พันกัน ตลอดจนลิงก์ในพื้นที่ว่าง^{[ 50 ] [ 51 ]}

เครือข่าย QKD ของ SECOQC เวียนนา

ตั้งแต่ปี 2003 ถึง 2008 โครงการการสื่อสารที่ปลอดภัยโดยใช้การเข้ารหัสควอนตัม (SECOQC) ได้พัฒนาเครือข่ายความร่วมมือระหว่างสถาบันต่างๆ ในยุโรป สถาปัตยกรรมที่เลือกใช้สำหรับโครงการ SECOQC คือสถาปัตยกรรมรีพีเตอร์ที่เชื่อถือได้ ซึ่งประกอบด้วยลิงก์ควอนตัมแบบจุดต่อจุดระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ โดยการสื่อสารทางไกลจะดำเนินการผ่านการใช้รีพีเตอร์^{[ 52 ]}

เครือข่ายลำดับชั้นของจีน

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2552 มีการสาธิตเครือข่ายควอนตัมแบบลำดับชั้นในเมืองอู่หู ประเทศจีน เครือข่ายแบบลำดับชั้นประกอบด้วยเครือข่ายหลักที่มีโหนดสี่โหนดที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายย่อยจำนวนหนึ่ง โหนดหลักเชื่อมต่อกันผ่านเราเตอร์ควอนตัมแบบสวิตช์แสง โหนดภายในแต่ละเครือข่ายย่อยยังเชื่อมต่อกันผ่านสวิตช์แสงและเชื่อมต่อกับเครือข่ายหลักผ่านรีเลย์ที่เชื่อถือได้^{[ 53 ]}

เครือข่ายพื้นที่เจนีวา (SwissQuantum)

เครือข่าย SwissQuantum ที่พัฒนาและทดสอบระหว่างปี 2009 ถึง 2011 เชื่อมโยงสิ่งอำนวยความสะดวกที่ CERN กับมหาวิทยาลัยเจนีวาและhepiaในเจนีวา โครงการ SwissQuantum มุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนผ่านเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นใน SECOQC และเครือข่ายควอนตัมวิจัยอื่นๆ ไปสู่สภาพแวดล้อมการผลิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งการบูรณาการกับเครือข่ายโทรคมนาคมที่มีอยู่ ตลอดจนความน่าเชื่อถือและความแข็งแกร่ง^{[ 54 ]}

เครือข่าย QKD โตเกียว

ในปี 2010 องค์กรจำนวนหนึ่งจากญี่ปุ่นและสหภาพยุโรปได้จัดตั้งและทดสอบเครือข่าย Tokyo QKD เครือข่ายโตเกียวสร้างขึ้นบนเทคโนโลยี QKD ที่มีอยู่และนำสถาปัตยกรรมเครือข่ายแบบ SECOQC มาใช้ เป็นครั้งแรกที่ มีการนำ การเข้ารหัสแบบ one-time-padมาใช้ในอัตราข้อมูลที่สูงพอที่จะรองรับแอปพลิเคชันของผู้ใช้ปลายทางที่เป็นที่นิยม เช่น การประชุมทางเสียงและวิดีโอที่ปลอดภัย เครือข่าย QKD ขนาดใหญ่ก่อนหน้านี้มักใช้อัลกอริธึมการเข้ารหัสแบบคลาสสิก เช่น AES สำหรับการถ่ายโอนข้อมูลอัตราสูง และใช้คีย์ที่ได้จากควอนตัมสำหรับข้อมูลอัตราต่ำหรือสำหรับการเปลี่ยนคีย์อัลกอริธึมการเข้ารหัสแบบคลาสสิกเป็นประจำ^{[ 55 ]}

เส้นทางหลักปักกิ่ง-เซี่ยงไฮ้

ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2560 เครือข่ายกระจายกุญแจควอนตัมระยะทาง 2,000 กิโลเมตรระหว่างปักกิ่งและเซี่ยงไฮ้ ประเทศจีน ได้เปิดใช้งานอย่างเป็นทางการ สายส่งหลักนี้จะทำหน้าที่เป็นโครงข่ายหลักเชื่อมต่อเครือข่ายควอนตัมในปักกิ่ง เซี่ยงไฮ้ จี่หนานในมณฑลซานตง และเหอเฟยในมณฑลอานฮุย ในระหว่างพิธีเปิด พนักงานสองคนจากธนาคารแห่งการสื่อสารได้ทำธุรกรรมจากเซี่ยงไฮ้ไปยังปักกิ่งโดยใช้เครือ ข่ายนี้ บริษัทการไฟฟ้าแห่งรัฐของจีนกำลังพัฒนาแอปพลิเคชันการจัดการสำหรับลิงก์นี้ด้วย^{[ 56 ]}สายนี้ใช้โหนดที่เชื่อถือได้ 32 โหนดเป็นตัวทวนสัญญาณ^{[ 57 ]}เครือข่ายโทรคมนาคมควอนตัมได้เปิดให้บริการแล้วในหวู่ฮั่น เมืองหลวงของมณฑลหูเป่ยทางตอนกลางของจีน ซึ่งจะเชื่อมต่อกับสายส่งหลัก เครือข่ายควอนตัมในเมืองอื่นๆ ที่คล้ายกันตามแม่น้ำแยงซีมีแผนจะดำเนินการต่อไป^{[ 58 ]}

ในปี 2021 นักวิจัยที่ทำงานเกี่ยวกับเครือข่ายเครือข่ายนี้ได้รายงานว่าพวกเขารวมใยแก้วนำแสงมากกว่า 700 เส้นเข้ากับลิงก์ QKD-ground-to-satellite สองลิงก์โดยใช้โครงสร้างรีเลย์ที่เชื่อถือได้สำหรับระยะทางรวมระหว่างโหนดสูงสุดถึง ~4,600 กม. ซึ่งทำให้เป็นเครือข่ายการสื่อสารควอนตัมแบบบูรณาการที่ใหญ่ที่สุดในโลก^{[ 59 ] [ 60 ]}

ไอคิวเน็ต

IQNET (Intelligent Quantum Networks and Technologies) ก่อตั้งขึ้นในปี 2017 โดยCaltechและAT&Tทั้งสององค์กรได้ร่วมมือกับFermi National Accelerator LaboratoryและJet Propulsion Laboratory [ ^{61 ] ใน} เดือนธันวาคม 2020 IQNET ได้ตีพิมพ์ผลงานใน PRX Quantum ซึ่งรายงานถึงการส่งผ่านคิวบิตไทม์บิน ที่ประสบความสำเร็จผ่าน ใยแก้ว นำแสงระยะทาง 44 กม. ^{[ 62 ]}เป็นครั้งแรกที่ผลงานที่ตีพิมพ์นี้รวมถึงการสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีของ การตั้งค่า การทดลอง แท่นทดสอบสองแห่งสำหรับการวัดที่ดำเนินการคือ Caltech Quantum Network และ Fermilab Quantum Network งานวิจัยนี้แสดงถึงก้าวสำคัญในการสร้างอินเทอร์เน็ตควอนตัมแห่งอนาคต ซึ่งจะปฏิวัติวงการการสื่อสารที่ปลอดภัยการจัดเก็บข้อมูล การตรวจจับที่แม่นยำ และการคำนวณ^{[ 63 ]}

เครือข่ายควอนตัมยังไม่ได้รับการกำหนดมาตรฐาน แต่หน่วยงานกำหนด มาตรฐานหลายแห่ง กำลังดำเนินการเตรียมการกำหนดมาตรฐานอยู่

กลุ่มวิจัยอินเทอร์เน็ตควอนตัม^{[ 64 ]} (QIRG) ของIRTFก่อตั้งขึ้นในเดือนพฤศจิกายน 2018 จนถึงปัจจุบัน QIRG ได้เผยแพร่RFC สองฉบับ ก่อตั้งขึ้นเพื่อศึกษาประเด็นที่ต้องการความเชี่ยวชาญจากชุมชนอินเทอร์เน็ต รวมถึงการกำหนดเส้นทาง การจัดการทรัพยากร ความปลอดภัย และ API

กลุ่มโฟกัส ITU-T ด้านเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมสำหรับเครือข่าย (FG-QIT4N) ^{[ 65 ]}ก่อตั้งขึ้นในเดือนกันยายน พ.ศ. 2562 เพื่อศึกษาวิวัฒนาการ การใช้งาน คำศัพท์ และกรณีการใช้งานสำหรับเครือข่ายควอนตัม

โดยทั่วไปแล้วสมาคมมาตรฐาน IEEEมีชุดโครงการเกี่ยวกับเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัม ซึ่งบางส่วนเกี่ยวข้องกับเครือข่ายควอนตัม^{[ 66 ]}

• กลศาสตร์ควอนตัม
• คอมพิวเตอร์ควอนตัม
• รถบัสควอนตัม

• https://web.archive.org/web/20090716121402/http://itvibe.com/news/2583/
• http://www.vnunet.com/vnunet/news/2125164/first-quantum-computr-network-goes-online
• Elliott, Chip (2004). "เครือข่ายควอนตัม DARPA". arXiv : quant-ph/0412029 .
• http://www.cse.wustl.edu/~jain/cse571-07/ftp/quantum/
• https://web.archive.org/web/20141229113448/http://www.ipod.org.uk/reality/reality_quantum_entanglement.asp