注册| 登录

量子中继

2018-03-04

量子中继的概念是构成全量子网络系统的关键,量子中继器作为量子网络的节点得到了人们的广泛重视现有的量子网络通信距离较为有限,随着传输距离要求的不断增加,有用信息在信道中传输时必然会有能量损耗的问题,在传统通信中是通过放大器或中继器来得以解决。但由于量子不可克隆定理,量子信道无法直接通过传统的放大恢复来实现在线中继,因此必须通过量子中继器的概念来完成,采用基于量子纠缠转移的中继概念来解决长距离远程量子通信问题,只有采用量子中继的通信系统才能真正实现全球范围内的量子通信网络。


1. 量子中继的基本概念


量子中继器的核心思想是:相距为image.png 的两个节点之间共享的量子纠缠态可以通过两个距离都是image.png的量子纠缠态的纠缠交换得到,以此类推,如果建立距离为image.png的量子纠缠态,则可以通过image.png个节点,经过n 次纠缠交换操作时的距离为image.png的两个用户或节点间能够共享同一个量子纠缠态。釆用量子中继技术既可以对信号的能量进行补充迖到传统的中继的功能,又可以使所传输的量子态的量子特性保持不变。可以看到在量子中继技术中最重要的就是纠缠态交换实现。在现有实用的量子中继中主要包括了纠缠态的制备、纯化和交换等过程。量子中继实现的原理方框图如图1所示。

image.png

图1 量子中继原理方框图


根据量子中继的基本流程,假设在超远距离image.png的量子通信系统中通信双方为Alice 和Bob,将链路分为N段,每一段放置量子中继节点,则一共有N-1个量子节点image.png,如图2所示。其中A 代表Alice,B 代表Bob,N-1 个节点分别都有左端点和右端点。每一段分链路的通信距离为image.png。当N 较大时每段的通信距离相对较小,在中继距离内进行纠缠态的分配较容易实现并能够使纠缠态的保真度达到一定的要求。


image.png

图2 量子中继节点结构示意图


(1) 量子纠缠态的制备


当将一束激光打在非线性晶体中时会发生参量变换,单个光子通过例如波片等光学晶体后会产生双折射现象,即可以产生偏振状态相互垂直的两个光子,这两个光子即可组成一对极化的纠缠光子对,该光子对即构成二维空间的纠缠态。还可以将光束通过谐振腔量子电动系统、离子阱系统等来实现纠缠态的制备。


现阶段国内外对多粒子量子纠缠态的制备方法有较多的研究,在双光子纠缠态的基础上提出了多种解决方案来产生四粒子、六粒子纠缠态等,得到了高亮度、高保真度的量子纠缠光源。随着纠缠态光子数的增加其制备难度呈指数倍的加大,2011年中国科技大学郭光灿团队成功制备了八光子的纠缠态,在该领域取得了巨大进展。


在图2 的系统的结构中共需要制备N 对双光子纠缠态,即Bell态。将这些纠缠态分别给Alice以及节点image.png


(2)量子纠缠态的分发


在完成上述纠缠态的制备后,Alice、image.png留下纠缠态中的一个光子,另一个光子依次发送它们各自的下一个节点给image.png 和Bob。这样Alice 和Bob 手中分别有一个光子,而N-1 个节点 image.png则拥有两个光子形成N-1 个新的纠缠对,即完成了初始量子纠缠态的分发工作,为纠缠态的交换的进行让通信双方的Alice 和Bob 能共享纠缠对提供前提条件。


(3) 量子纠缠态的纯化


在进行纠缠态分发过程中,由于中继节点间有一定距离,并且量子信道有消相干作用,使得光子经过量子通信信道后其纠缠程度会下降。针对该现象可以采用两种方式来解决问题。

a、利用量子纠错码来解决量子信道的噪声问题,从而使通过信道的量子态保真度增加。

b、在节点 image.png实行量子纠缠态的纯化,通过多次反复的相关量子操作和测量从已经保真度降低的纠缠态中提取出部分相对具有较高保真度的纠缠对组成新的集合。使各个节点所拥有的纠缠对的保真度能够髙于系统通信所要求的门限值,从而保证通信误码率保持在足够低的水平。


当成功进行了纠缠态的纯化工作后,将高保真度的纠缠态进行量子存储,为纠缠态的交换工作做好准备。


(4)量子纠缠态的交换

当Alice和image.png左端点、image.png右端点和image.png左端点、image.png右端点和image.png左端点,以此类推,都建立好纠缠态后,节点image.png的左右两个端点分别放置两个量子存储器,对两个端点的光子态进行联合Bell 测量,从而完成纠缠交换使得Alice  和image.png左端点共享同一个纠缠态,然后对节点image.png进行纠缠纯化,消除量子信道退相干的影响。以此类推节点image.png依次完成纠缠交换和纠缠纯化工作,最终使得通信双方Alice 和Bob 能够共享量子纠缠态,即完成了整个链路的量子中继过程,建立了长距离、高保真度的量子纠缠对。釆用量子中继方案来完成远距离的纠缠态交换比直接在相同距离分发量子纠缠态具有更好的通信效率,也更容易实现。


可以看到在进行纠缠态交换的过程中各个节点间都是互相独立的,相互之间不受影响。


2. 量子中继的实现方法

在上述量子中继原理基础上,现有的量子中继技术方案主要有以下几种:


(1) DLCZ 方案

2001年段路明、Lukin、Cirac和Zoller等人共同提出了著名DLCZ的(取这四位研究人员名字的第一个字母)方案该方案,通过简单可行的物理模型来实现量子中继的功能,是首个在实验中容易实现的量子中继方案。方案利用冷却的碱金属气体原子系综来实现,不需要对单个原子进行操作,该系综采用基态image.png、激发态image.png和亚稳态image.png结构,系统结构简单,如图3所示。

image.png

图3  原子能级图


在纠缠态制备的准备阶段,可以通过光学冷却的办法让原子系综处于基态image.png,对该系综进行弱光场的菜浦使得原子从基态image.png跳变到激发态image.png,每次的泉浦过程均会以较小的概率激发出系综中的一个原子,被激发的原子通过自发辖射的Raman散射效应辖射出一个光子即为Stokes光子。当探测器探测到单光子信号后原子系综将被制备到纠缠态image.png上,其中image.png是泵浦光的波失,image.png是Stokes光子的波矢,image.png是第j 个原子的位置。即完成了纠缠态的制备过程,又称为“写过程”。


在完成上述过程一段时间后用一束能量较强的泵浦光( 频率为image.png), 则原子系综将以较大概率再次产生Raman 散射,辖射出反Stokes光子,辐射方向和写过程中的光子方向相反,同时原子系综回到基态image.png。则完成了“读过程”。


在整个“读写过程”中,相位的匹配非常重要,将会极大的影响系统的工作效率。DLCZ 方案只需要用到原子系综的Raman 散射过程以及简单的光学器件,系统结构简单。但随着产生的Stokes 光子数的增加即纠缠次数的增加,系统纠缠态的保真度显著下降。


(2) 双光子干涉法的量子中继方案

为了克服DLCZ 方案中的相位抖动从而影响相位匹配准确性等问题,2007 年Bo Zhao等人提出了利用双光子干涉的方法来实现量子中继的方案。该方案和DLCZ 方案相比采用了两个原子系综,用Hong-Ou-Mandle 干涉装置来代替Mach-Zehnder 干涉仪,来实现远距离的原子纠缠。


在该方案中首先将弱菜浦光同时作用在两个原子系综上,随机的在其中一个系综上产生一个单光子,则完成纠缠态的制备工作。然后通过双光子千涉建立长距离的原子纠缠,当产生单光子后,采用对称结构则在系统中间有粟浦产生的两个光子,对这两个光子进行联合Bell 态的测量,当对称的两个探测器有了光子计数后,则说明成功产生了远距离的原子纠缠态。


该方案中最重要的是在对称结构的中间所产生的两个光子能够很好的重合从而完成量子测量工作。但由于Bell 测量的准确性只有50%, 所以系统的工作效率仍然不高,且所产生的纠缠态的保真度和DLCZ 方案差不多,没有得到提高。和DLCZ 相比系统稳定性更强,更容易得到相应的量子纠缠态。


参考文献:

1. L.-M. Duan, M. D. Lukin, J. I. Cirac, and P. Zoller, Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics, Nature 414, 413 (2001)

2. 葛华,“量子安全直接通信及网络技术研究”,华中科技大学博士学位论文(2014).

收藏 评论:0
没有ID?去注册 忘记密码? 已有账号,马上登陆

添加表情
0.141842s