新开源软件的价值大于其各部分之和

将现实世界场景的真实模型与理论和实验研究以有意义的方式相结合是非常重要的。然而，创建这些真实的计算机模型是一项非常庞大的任务。为了创建有用且全面的软件，需要跨多个复杂领域的大量数据、代码和专业知识。

滑铁卢大学量子计算研究所（IQC）执行主任兼物理和天文学系教授诺贝特·吕特肯豪斯博士（Norbert Lütkenhaus）及其研究团队在过去的几年里一直致力于为量子密钥分发（QKD）研究开发准确的软件模型。QKD是一种利用量子力学基本原理来交换密钥的加密过程，这些密钥可随后用于确保通信安全。

吕特肯豪斯及其研究团队最近在GitHub上发布了一个模块化、开源的软件包，允许用户模拟真实的QKD协议，并使用用户提交的针对现实世界场景的变量来计算安全量子密钥的生成速率。

“对QKD设置进行建模和分析需要多种不同的技能相结合。我们的软件框架允许来自优化理论、光学建模和安全分析等各个领域的专家将他们的知识结合起来，”吕特肯豪斯说。“开源方法旨在促进一个跨学科社区，所有研究人员都将从中受益。”

从左至右：博士生Devashish Tupkary和Lars Kamin，滑铁卢大学研究员John Burniston，以及量子计算研究所执行主任Norbert Lütkenhaus博士。

在创建这些真实模型和协议时，团队考虑了多种问题，这些问题在编码过程中带来了不同的挑战，然后将这些挑战从单一的、巨大的编码难题分解为更小的部分和模块。通过这样做，团队能够依靠其成员的不同专业知识，并引入各领域的合作者。

“具有现实假设的QKD模型需要跨大量领域的大量信息和知识。特别是如果你想要将它们与实验数据或我们不一定擅长的现实模型进行接口时，”该软件包的首席开发人员兼IQC研究助理John Burniston说，“我们的软件将这个巨大的任务分解成更小的部分，所以它的任务从‘我需要学习一切’变成了‘让我解决这一部分并将其与其他部分结合’，这样就没那么吓人了。”

除了在软件开发过程中融入必要的各种专业知识外，模块化特性也对教授和培训新研究人员和学生有益。新的本科生研究人员可以被引导到单个模块中，在那里他们专注于学习和优化QKD模型中的一个方面或变量。由于他们的更改可以随后被整合到整个软件包中，学生能够看到他们对小部分的更改如何影响整个问题范围和QKD密钥速率的结果。

新的软件包是对2021年发布的先前版本的完全重写，现已进行优化以增强用户体验。通过更多的小模块以及更多用于验证的内部检查和平衡，该软件可以向用户指出输入的值是否现实且正确，或者它是否可能产生无意义的输出。总体而言，这些更新创建了更易于学习和融入其研究的软件。

目前，吕特肯豪斯团队正与几位合作者合作，为该软件包开发新模块，并在实验研究室中应用其QKD软件建模。吕特肯豪斯团队已与滑铁卢大学的不同团队建立合作伙伴关系：来自组合数学与优化系的亨利·沃尔科维茨博士（Henry Wolkowicz）及其团队，研究数值凸优化；以及IQC的托马斯·詹纳维恩博士（Thomas Jennewein）及其团队，为卫星QKD应用建模密钥速率。他们还有来自其他机构的合作伙伴，致力于各种现实建模问题。使用他们的软件模型，他们已经找到了与合作者显著提高实验密钥速率的方法。

通过将此软件包作为开源发布，研究人员希望鼓励量子密钥分发（QKD）科学界进行合作与发展。为了促进这种合作，他们计划为来自世界各地的研究人员举办一次即将到来的培训会。一旦最终确定，详细信息将在项目网站上公布。此外，该软件包还旨在缩小理论与数学证明之间的差距，并为实验数据和构建设备提供联系。

“将软件开发工作与前沿研究相结合很有趣，”伯尼斯顿（Burniston）说。“我们可以将这个新工具交给每个人，帮助更广泛的社区，并真正推动研究向前发展。”

亨特指出，在其他国家——如美国——私立教育系统可能更为普遍。

“很多人会说‘学校是为了让我的家庭出人头地，而不是为了让我的邻居出人头地’，所以我认为这解释了为什么加拿大的教育在国际上备受推崇。”

该省教育部在2024-2025年度的预算为93亿加元，在2024年度预算中，其运营费用增加了3.93亿加元。教育税约占省政府提供的教育成本的30%。

“我知道有些纳税人可能不相信，但财产税是稳定的。人们不喜欢逃避缴纳财产税，因为他们想保留自己的财产，”亨特说。“这成为学校稳定的收入来源，因此，学校系统通过在该社区和该省的财产基础上开展业务而得以稳定，而该省一直在努力解决如何从财产税中重新分配资源的问题，以便为学生提供优质的机会。”

“财产税为教育使用提供了一定程度的稳定性，因为青年人的成长依赖于这种稳定性。财产税是拥有稳定公平教育系统的最稳定收入来源。”