qns-3 实现

量子网络栈设计文档

1. 架构设计

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                          pplications                        │
│  ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────────┐    │
│  │EntSwapApp│ │ TelepApp │ │DistillApp│ │FourNodeChain │    │
│  └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └──────────────┘    │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                           Protocols                         │
│  ┌────────────────────┐ ┌─────────────────────────────┐     │
│  │DistributeEPRProto  │ │   QuantumNetStackHelper     │     │
│  └────────────────────┘ └─────────────────────────────┘     │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    Quantum Physical Layer                   │
│  ┌────────────────┐ ┌─────────────────┐ ┌──────────────┐    │
│  │QuantumPhyEntity│ │QuantumMemModel  │ │QuantumChannel│    │
│  └────────────────┘ └─────────────────┘ └──────────────┘    │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                     Tensor Network Backend                  │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │            QuantumNetworkSimulator (ExaTN)          │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘    │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

2. 量子物理层设计

2.1 QuantumPhyEntity - 量子物理实体

QuantumPhyEntity 是量子网络的核心类，管理所有量子态和操作。

主要职责:

量子比特生成和管理
量子门操作
测量和部分迹
错误模型应用
保真度计算

关键接口:

// 生成纯态量子比特
bool GenerateQubitsPure(const std::string &owner,
                        const std::vector<std::complex<double>> &data,
                        const std::vector<std::string> &qubits);

// 应用量子门
bool ApplyGate(const std::string &owner,
               const std::string &gate,
               const std::vector<std::complex<double>> &data,
               const std::vector<std::string> &qubits);

// 应用量子操作（Kraus通道）
bool ApplyOperation(const QuantumOperation &quantumOperation,
                    const std::vector<std::string> &qubits);

// 测量
std::pair<unsigned, std::vector<double>>
Measure(const std::string &owner, const std::vector<std::string> &qubits);

// 部分迹
bool PartialTrace(const std::vector<std::string> &qubits);

// 计算Bell态保真度
double CalculateFidelity(const std::pair<std::string, std::string> &epr, double &fidel);

2.2 QuantumMemoryModel - 量子存储器退相干模型

实现基于T1/T2的物理退相干模型。

物理模型:

T1 (振幅阻尼): |1⟩ → |0⟩ 的能量弛豫，概率 p = 1 - exp(-t/T1)
T2 (纯退相): 相干性衰减，有效退相时间 1/T_φ = 1/T2 - 1/(2T1)

Kraus算子表示:

振幅阻尼:

1 2	`K0 = \|0⟩⟨0\| + √(1-p)\|1⟩⟨1\| = [[1, 0], [0, √(1-p)]] K1 = √p\|0⟩⟨1\| = [[0, √p], [0, 0]]`

纯退相:

1 2	`K0 = √(1-p/2) I = [[√(1-p/2), 0], [0, √(1-p/2)]] K1 = √(p/2) Z = [[√(p/2), 0], [0, -√(p/2)]]`

已知问题与解决方案:

在张量网络中对纠缠量子比特应用Kraus通道时存在非迹保持问题。解决方案是在每次退相干操作前对所有注册的量子比特应用恒等门：

// 解决方案：在ApplyOperation前刷新张量网络状态
for (const auto &pair : m_qubitTimestamps)
{
    m_qphyent->ApplyGate("God", QNS_GATE_PREFIX + "I", pauli_I, {pair.first});
}
QuantumOperation dephas({"I", "PZ"}, {pauli_I, pauli_Z}, {1.0 - prob, prob});
m_qphyent->ApplyOperation(dephas, {qubit});

2.3 QuantumChannel - 量子信道

表示两个量子节点之间的量子链路。

功能:

源节点和目标节点管理
退极化错误模型（链路保真度）
EPR对分发支持

2.4 错误模型层次

QuantumErrorModel (基类)
├── DephaseModel      - 退相模型（门操作相关）
├── DepolarModel      - 退极化模型（链路相关）
├── TimeModel         - 时间相关退相模型
└── QuantumMemoryModel - T1/T2存储器模型（新增）

3. 一些建议的量子网络协议实现

3.1 EPR分发协议（测试用）

流程:

源节点生成Bell态 |Φ+⟩ = (|00⟩ + |11⟩)/√2
应用链路退极化噪声
通过经典信道通知目标节点
目标节点接收量子比特所有权

3.2 纠缠交换协议（测试用）

Bell态测量 (BSM):

// CNOT门 + Hadamard门 + 测量
m_qphyent->ApplyGate("God", "QNS_GATE_CNOT", {}, {qubit2, qubit1});
m_qphyent->ApplyGate("God", "QNS_GATE_H", {}, {qubit1});
auto outcome0 = m_qphyent->Measure(owner, {qubit1});
auto outcome1 = m_qphyent->Measure(owner, {qubit2});

Pauli校正:

测量结果 (m0, m1) 决定校正操作
X校正: 基于 m1
Z校正: 基于 m0

3.3 四节点链协议（本次实现的目标）

网络拓扑: A - B - C - D

协议时序:

t=0:        生成 A-B, B-C, C-D EPR对
t=delay:    B 执行 BSM，广播结果
t=2*delay:  C 执行 BSM，广播结果  
t=3*delay:  D 应用Pauli校正，协议完成

保真度模型:

1 2	`F_final = F_link^3 × F_decoherence F_decoherence = (1 + exp(-2t/T2)) / 2`

实验结果
脚本位于 ns-3.42/contrib/quantum/scripts/run_experiments.sh

LinkF	T2(ms)	Delay(ms)	Time(ms)	Fidelity
0.85	10	1	3	0.4756
0.85	10	5	15	0.3224
0.85	10	10	30	0.3078
0.85	10	50	150	0.3071
0.85	50	1	3	0.5794
0.85	50	5	15	0.4756
0.85	50	10	30	0.3995
0.85	50	50	150	0.3078
0.85	100	1	3	0.5962
0.85	100	5	15	0.5345
0.85	100	10	30	0.4756
0.85	100	50	150	0.3224
0.85	500	1	3	0.6105
0.85	500	5	15	0.5962
0.85	500	10	30	0.5794
0.85	500	50	150	0.4756
0.90	10	1	3	0.5645
0.90	10	5	15	0.3826
0.90	10	10	30	0.3654
0.90	10	50	150	0.3645
0.90	50	1	3	0.6878
0.90	50	5	15	0.5645
0.90	50	10	30	0.4743
0.90	50	50	150	0.3654
0.90	100	1	3	0.7078
0.90	100	5	15	0.6345
0.90	100	10	30	0.5645
0.90	100	50	150	0.3826
0.90	500	1	3	0.7247
0.90	500	5	15	0.7078
0.90	500	10	30	0.6878
0.90	500	50	150	0.5645
0.95	10	1	3	0.6640
0.95	10	5	15	0.4500
0.95	10	10	30	0.4298
0.95	10	50	150	0.4287
0.95	50	1	3	0.8089
0.95	50	5	15	0.6640
0.95	50	10	30	0.5578
0.95	50	50	150	0.4298
0.95	100	1	3	0.8324
0.95	100	5	15	0.7463
0.95	100	10	30	0.6640
0.95	100	50	150	0.4500
0.95	500	1	3	0.8523
0.95	500	5	15	0.8324
0.95	500	10	30	0.8089
0.95	500	50	150	0.6640
0.99	10	1	3	0.7514
0.99	10	5	15	0.5093
0.99	10	10	30	0.4864
0.99	10	50	150	0.4851
0.99	50	1	3	0.9154
0.99	50	5	15	0.7514
0.99	50	10	30	0.6313
0.99	50	50	150	0.4864
0.99	100	1	3	0.9420
0.99	100	5	15	0.8446
0.99	100	10	30	0.7514
0.99	100	50	150	0.5093
0.99	500	1	3	0.9645
0.99	500	5	15	0.9420
0.99	500	10	30	0.9154
0.99	500	50	150	0.7514

4. 张量网络后端

4.1 ExaTN集成

使用ExaTN库进行张量网络表示和收缩。

优势:

高效的张量网络收缩算法
支持大规模量子态模拟
GPU加速支持

密度矩阵表示:

每个量子比特对应一个2×2张量
多比特态通过张量积构建
门操作通过张量收缩实现

4.2 已知限制

测量后部分迹问题: 在多量子比特纠缠系统中，测量后执行部分迹可能导致张量网络状态异常
数值精度: 复数张量的虚部需要在容差范围内

5. 与ns-3的集成

5.1 事件调度

利用ns-3的 Simulator::Schedule 进行：

退相干事件调度
协议阶段转换
经典消息传递模拟

5.2 网络栈

// 创建经典网络
CsmaHelper csmaHelper;
csmaHelper.SetChannelAttribute("Delay", TimeValue(MilliSeconds(delay)));
NetDeviceContainer devices = csmaHelper.Install(nodes);

// IPv6地址配置
InternetStackHelper stack;
stack.Install(nodes);
Ipv6AddressHelper address;
address.SetBase("2001:1::", Ipv6Prefix(64));

5.3 应用层接口

量子应用继承自 ns3::Application，支持：

StartApplication() / StopApplication() 生命周期
UDP套接字通信
属性系统配置

paper-reading > network > routing

#quantum #network

qns-3 实现

https://blog.xiaoaojianghu.fun/posts/7a6a7d9a.html

作者

wst

发布于

2026年1月20日

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