Quantum communication can enhance internet technology by enabling novel applications that are provably impossible classically. The successful execution of such applications relies on the generation of quantum entanglement between different users of the network which meets stringent performance requirements. Alongside traditional metrics such as throughput and jitter, one must ensure the generated entanglement is of sufficiently high quality. Meeting such performance requirements demands a careful orchestration of many devices in the network, giving rise to a fundamentally new scheduling problem. Furthermore, technological limitations of near-term quantum devices impose significant constraints on scheduling methods hoping to meet performance requirements. In this work, we propose the first end-to-end design of a centralized quantum network with multiple users that orchestrates the delivery of entanglement which meets quality-of-service (QoS) requirements of applications. We achieve this by using a centrally constructed schedule that manages usage of devices and ensures the coordinated execution of different quantum operations throughout the network. We use periodic task scheduling and resource-constrained project scheduling techniques, including a novel heuristic, to construct the schedules. Our simulations of four small networks using hardware-validated network parameters, and of a real-world fiber topology using futuristic parameters, illustrate trade-offs between traditional and quantum performance metrics.


翻译:量子通信能够增强互联网技术,使新应用在传统上是不可能实现的。这类应用的成功实施取决于网络不同用户之间产生量子纠缠,满足严格的性能要求。除了诸如吞吐和急促等传统指标外,还必须确保产生的纠缠具有足够高的质量。满足这种性能要求需要对网络中许多设备进行仔细的调控,从而产生一个全新的时间安排问题。此外,近期量子装置的技术限制对排期方法施加了重大限制,希望达到绩效要求。在这项工作中,我们提议与多个用户一道设计一个中央量子网络的端到端设计,以协调提供符合应用质量要求的服务缠绕(QOS)的集成网络。我们通过使用中央构建的时间表,管理设备的使用,确保在整个网络中协调执行不同的量子操作。我们使用定期任务排期和资源紧张的项目排期技术,包括新型的超音量项目排期技术来构建时间表。我们用硬性能网络参数对四个小型网络进行模拟,同时使用真实性能参数和标准性能标准世界的顶级标准进行模拟。

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