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当量子信号处理与通信相遇时

2021年10月18日,星期一
由:
Lajos Hanzo,英国南汉普顿大学教授

提供的Lajos Hanzo基于相同标题的SPS网络研讨会,当量子信号处理与通信相遇时,可在SPS资源中心上使用。

量子种族……

越来越复杂的信号处理和无线通信的结合导致了引人注目的“远程呈现”解决方案——只需触摸拨号键。

然而,无论是数字信号处理理论还是基于纳米尺度的实现,“量子”的飞跃都将背离经典物理学,遵循经典科学揭示的众所周知的定律。这是因为半导体技术的进步导致了纳米级的集成密度。因此,我们要么必须接受必须开发更大的芯片,以适应下一代消费电子产品的复杂信号处理算法,要么必须容忍和减轻正在出现的量子效应。

量子密钥分发

近年来,量子计算和量子通信都取得了重大进展。在加拿大、中国、欧洲和美国,有许多运行中的量子通信网络,这只是其中一些先进的高安全系统。中国已经成功完成了Micious实验,并使用一颗卫星在1200公里的距离上演示了安全量子密钥分配(QKD),还有一个基于光纤的中国-奥地利量子密钥分配链路。然而,该团体雄心勃勃的研究目标是使以下插图中描绘的牢不可破的全球量子通信的愿景成为现实。

博客图片

QKD协议是一种秘密密钥协商技术,一旦秘密密钥达成一致,它可能与现有的安全解决方案兼容。因此,它可以找到进入现有安全网络的途径。然而,就像所有的技术解决方案一样,它必须服从某些折衷,既需要量子信道,也需要经典信道。此外,在经典的安全网络中,密钥必须至少与信息一样长,这对经典网络和量子网络族都施加了不希望的限制。

量子搜索算法

量子搜索算法(QSAs)强大的计算能力——由面向计算机科学的量子社区构想的,可以有益地利用它来解决无线通信中发现的大量大规模搜索问题。例如,在基站(base-station, BS)上解决了大规模的多用户检测问题,在移动到BS上行链路中支持的所有K个用户都被同时检测,只需使用平方根K的代价函数评估即可。这一搜索问题对于大量用户来说具有极大的挑战性,特别是当系统依赖于下一代系统所要求的高吞吐量多级调制方案时。更严峻的挑战是,当BSs通过光纤互连,交换接收到的信息后,对所有小区内的所有用户的信息进行联合决策。

为其他大规模搜索问题设想了进一步的前沿解决方案,如联合数据和信道估计,以及支持多用户传输的传输预处理,利用下行信道的知识来消除敌对色散下行信道中可能遇到的用户间干扰。这样做的好处是,移动用户可以接收到干净、完美的信号,因此可以调用低复杂度的单用户接收。

量子编码

考虑到量子电路的脆弱本质,最微小的环境干扰就会扰乱它们的量子态,因此量子态就会退回到经典的世界,量子领域中并行处理的所有好处都蒸发了。在这种情况下,量子误差校正码可用于校正由量子退相干造成的位反转和相位反转。量子编码的进一步发展对于提高所有量子电路和量子计算机的性能至关重要。

其他媒体:

请听IEEE量子播客“第五集:与Lajos Hanzo的对话”:
https://quantum.ieee.org/podcasts

更多信息、参考资料和视频,请访问:
https://www-mobile.ecs.soton.ac.uk/res/int/quantum


引用:

N. Hosseinidehaj, Z. Babar, R. Malaney, S. X. Ng, L. Hanzo,“基于卫星的连续可变量子通信:最先进的技术和预测前景”,IEEE通信调查与教程第21卷第2期第881-919页,2019年第一季度,doi:https://doi.org/10.1109/COMST.2018.2864557

p . Botsinis,“无线通信的量子搜索算法”,IEEE通信调查与教程第21卷第2期2、第1209-1242页,2019年第二季度,doi:10.1109 / COMST.2018.2882385

Z. Babar, D. Chandra, H. V. Nguyen, P. Botsinis, D. Alanis, S. X. Ng, L. Hanzo,“量子和经典纠错码的对偶性:设计原理和例子”,IEEE通信调查与教程第21卷第2期1、第970-1010页,2019年第一季度,doi:10.1109 / COMST.2018.2861361

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