专利名称：量子中继器的制作方法
量子中继器背景技术分布式量子信息协议和网络需要能够在远程位置之间传输量子 信息。这种分布式系统一般使用能够通过光纤或其他Jf某体传送的光子 来载送量子信息。但是，此类传输一般会存在信号损耗和量子态去相干效应。例如，光信号沿典型的光纤传输10公里时存在1.9 dB的损 耗，从而信号光子可能有50%的丟失概率。重复或冗余量子态上的损 耗和去相干效用可能产生噪声性纠缠态(noisy entangled state),这在 有限的距离上能够可靠地载送量子信息，但是长距离上的传输一般需 要量子中继器。利用量子中继器，可以通过将信道分成足够短的段或 链路以使每个链路中的噪声性纠缠态能够被纯化，然后通过纠缠交换 来连接，从而在延伸到长距离的信道上产生纠缠。分布式量子系统就 可以使用远距离节点之间所得到的纠缠来传递量子信息或传送机密 的经典信息。一些用于量子中继器的公知方法，使用基于单个光子检测的后选 择来中继用于传输的单个光子态并生成纠缠。参见例如，L.M.Duan、 M.D. Lukin、 J.L Cirac和P. Zoller所著Nature 414, 413 (2001)， L. Childress, J.M. Taylor, A.S. Sorensen， 以及M.D. Lukin所著eprint: quant-ph/0410115 (2005)，以及L. Childress、 J.M. Taylor、 A.S. Sorensen 和M.D. Lukin所著的eprint: quant-ph/0502112 (2005)。在这些方案中， 产生高保真度纠缠，并且主要需要后续纠缠浓缩来补偿通过交换连接 的不完整的纠缠对的劣化影响。但是，由于它们在初始纠缠分布中的 低成功概率，所以这些协议的通信速率很低。
图1A示出根据本发明实施例能够实现远程站上的纠缠量子态的 链路和量子中继器的链。图1B示出适于在图1A的链中用于在相邻站上纠缠量子态的链 3各的实施例。图1C示出根据本发明实施例包括用于纠缠交换的量子门的量子 中继器。图2是图示适于实现量子中继器中的量子比特的物质系统的能级 的能级图。图3是图示纠缠的物质系统的技术后选择的相位空间图。图4包含指示根据本发明实施例的纠缠分布过程的纠缠保真度、 可识别性、管理窗口大小和纠缠成功概率之间的关系的图。图5A示出根据本发明实施例对应于每个链路使用两个探测波束 的链路和量子中继器的链。图5B示出适于在图5A的链中用于在相邻站上纠缠量子态的链 路的实施例。图6以示意图形式图示纠缠浓缩才喿作。图7A、 7B和7C图示在根据本发明实施例的多步骤纠缠浓缩操作期间链路相对两端上的量子比特的中间配置。图8A示出根据本发明实施例与受控置换操作关联的量子门。 图8B图示图8A系统对光子探测状态的相位空间位置的影响。 图9示出根据本发明实施例在受控符号搡作期间探测状态所经过的置换。在不同附图中使用相同的引用符号来指示相似或完全相同的项目。
具体实施方式
在它的一些方面中，本发明可以提供用于在长距离分隔的站上产 生量子态的纠缠的量子中继器。例如一 系列的此类量子中继器可以实
现在超过1000公里的距离上建立量子纠缠和量子通信信道的过程。而且，可以利用密集的光脉冲而非单个光子来产生通过光纤的传输， 此类传输可以直接-故插入到为经典通信开发的现有光网络中。一个示范量子中继器是基于混合光物质系统，其中将光用于量子 态转换而物质系统用于量子存储器。在一个特定纠缠过程中，明亮 测脉冲"与一个站上的第一物质量子比特相互作用，在光网络上传送， 然后与下一个站的第二物质量子比特相互作用。顺序或并行地，多个探测脉沖可以相似的方式与相应各对物廣量子比特相互作用，其中每 对包括两个站的每个站上的一个量子比特。然后，就可以基于探测脉 沖的测量结果来识别在纠缠状态的量子比特对，即后选择。尽管这是 后选择，仍可以实现高成功概率，因此提供优于需要单个光子检测的 公知协议的显著优点。来自探测脉沖的例如光子损耗的效应将导致所 选的每个量子比特对处于非纯纠缠态的状态，但是来自多个噪声性纠 缠态的直接纠缠浓缩可以得到高保真度纠缠态的一个或多个纠缠的 光子对。可以在通信信道中每对相邻站上以相似方式产生纠缠的量子 比特对，并且下文将进一步描述的纠缠交换技术可以转移纠缠以纠缠 通信信道的端站上的量子比特。图ia图示延伸的量子通信信道ioo，它可以构成更复杂的通信网络的一部分。信道100包含一系列N个通信链路150-1至150-N, 下文将其通称为通信链路150。图1B中更详细地描述了通信链路150 的示范实施例。通信链路150-1至150-N分别包括光子信道155-1至 155-N，它们将量子中继器或站160-0至160-(N-l)的相应发射器部分 120-0至120-(N-l)连接到量子中继器或站160-1至160-N的相应接收 器部分140-1至140-N。量子中继器或站160-0 to 160-N在本文中通称 为量子中继器160，以及图1C更详细地图示量子中继器160的示范实 施例。本文中通称为发射器部分120的发射器部分120-0 to 120-(N-l)包 括相应各组物质系统110-0至110-(N-l),本文通称为接收器部分140
的接收器部分140-1至140-N包括相应各组物质系统130-1至130-N。 通称为物质系统110和130的物质系统110-0至110-(N-l)和130-1至 130-N实际上可以是完全相同的，且具有适于量子信息存储和与探测 脉沖相互作用的量子态。在示范实施例中，每个物质系统110至130 具有能够表示量子比特的量子态。正如下文进一步描述的，物质系统 110和130的至少一些采用的状态与站160之间经由光子信道155传 送的探测脉冲相互作用。图1A中的站160-0是仅包括发射器部分120-0的端站，而站160-N 是仅包括中继器140-N的接收器部分的端站。此配置对于使用光子探 测信号纠缠站160-0中的物质系统110-0与站160-N中的相应物质系 统130-N的量子态的过程是足够的，其中光子探测信号在信道100中 沿着从站160-0至160-N的方向传播。但是，其他配置也是可能的。 例如，可以分别向站160-0和160-N添加接收器和发射器部分(未示 出)，和/或特定站160可以具有两个发射器部分120或两个接收器部 分140，例如当在不同链3各150中光沿着不同方向传播时。根据本发明的一个实施例的过程在端站160-0中的一个或多个物 质系统110-0与端站160-N中的相应物质系统130-N之间产生高保真 度纠缠。然后，物质系统110-0与130-N的纠缠对就可用于量子信息 处理任务，例如状态和门的隐形传输、分布式量子计算、量子密钥分 布、量子纠错和通用分布式量子信息处理。在远程物质系统110-0与130-N之间产生高保真度纠缠通常包括 三个过程，本文有时称为纠缠分布、纠缠浓缩和纠缠交换。纠缠分布 产生每个链路150的相对两端上成对的物质系统110与130之间的纠 缠。正如下文进一步描述的，纠缠分布过程使用后选择来确定是否已 为一对物质系统110和130成功产生纠缠态。成功纠缠的一对物质系 统IIO和130可能并不处于高保真度纠缠态。如果必要的话，纠缠浓 缩提高纠缠保真度，同时纠缠分布过程可以再次尝试纠缠其他多对物 质系统IIO和130。
纠缠浓缩通过执行链路150内的本地量子操作和经典通信来增加纠缠保真度和/或混合态的纯度。例如，纠缠浓缩可以将具有较低保真度纠缠的m个纠缠的对转换成具有较高保真度纠缠的较少量n个纠缠 的对。 一般来说，纠缠浓缩可以在纠缠交换之前或之后执行。纠缠交换交换两个纠缠的物质系统对的纠缠。更确切地来说，相 同量子中继器160中的物质系统110与130上的本地操作可以在最初 与本地物质系统110与130纠缠的远程物质系统130和110之间产生 纠缠。在多步骤过程中，纠缠交换可以将链路150内的纠缠转换成跨 多个链路150延伸的纠缠，最终转换成端站160-0和160-N中的物质 系统110-0与相应物质系统130-N之间的纠缠。图1B图示适于在图1A的通信信道100中使用的通信链路150。 链路150包括一个量子中继器或站160的发射器部分120、下一个量 子中继器或站160的接收器部分140、以及将发射器部分120链接到 接收器部分140的光子信道155。 一般来说，光子信道155可以是用 于载送光子探测脉冲而不会有不可接受的信号损失的任何系统。用于 光子信道155的适合系统包括但不限于光网络的一部分、光纤、波导 或自由空间。信道155可以另外包括多个并行的子信道，例如多个并 行光纤以用于并行地传输光信号，即空间复用，这样使纠缠分布、纠 缠浓缩和/或纠缠交换操作能够在通信链，150中并行地执行。还可以 通过在量子中继器160中执行叠加操作(例如使用相同的光纤)来采 用时分复用以增加数据速率。作为简单且具体的示例，下文论述光子 信道155是单个光纤的实现。在图1B所述的实施例中，发射器部分120包括物质系统110、 能够对物质系统110执行状态变换的状态旋转系统118、能够产生揮: 测脉冲的光源122、能够对探测脉冲执行置换操作(displacement operator)的系统126、以及操纵探测脉冲以与系统126或物质系统110 相互作用以及通过信道155传输的光系统128。图1B示出的发射器部 分120为包括两个基本完全相同的物质.系统110,但是更常见的是，
发射器部分120可能需要多个物质系统110以便在冗余纠缠分布、浓 缩和交换过程中使用。发射器部分120中的物质系统110的数量一般 将才艮据部分120与130之间纠缠分布操作的成功;f既率和用于纠缠浓缩 所期望的纠缠对的数量来选择，下文将对此予以进一步描述。发射器 部分120通常包括约16个物质系统110，这些物质系统IIO可以独立 地与接收器部分140中的相应物质系统130纠缠。本发明的示范实施例中的每个物质系统110或130是具有适于量 子比特的基态的量子态|0>和|1>的系统，并且基态|0>或|1>的至少其中 之一具有至光源122产生的探测模式的耦合。基态|0>和|1>可以是电 子自旋态，例如在量子点中、在原子中或由半导体中的中性施主杂质 诱捕的单个电子的电子自旋态。作为说明性示例，下文々i设每个物质 系统IIO或130对应于被束缚在原子112或132中的单个电子，而基 态|0>和|1>对应于电子的自旋投影;^4正态。为了提高电子与探测脉沖之间相互作用的强度，原子112或132 被置于腔114或134中，原子112或132大约与探测脉沖的波长谐振。 对于腔114或134，弱耦合一般是足够的，但是优选采用高的Q/V值， 其中Q是质量而V是腔114或134的模体积。此外，每个腔114或 134优选地具有高反射部分或特征116或136，高反射部分或特征116 或136限定从腔114或134辐射光的方向。理想情况下，反射部分116 或136是理想的反射镜，它阻止光从腔114或134向期望的输出方向 以外的方向逸出。图1B所示的发射器部分120的实施例中的光源122是以已知量 子态产生光脉冲的光源，例如激光。光脉冲一般具有在相位空间上具 有可测量特征的量子态，可以通过与物质系统的量子态的相互作用而 显著地改变这种量子态。这里的脉冲可以对应于光开始和停止流动时 的开始和结束的光流的时间区间，或者连续流期间的光流的时间区 间。下文着重描述相干光脉冲的使用，因为激光通常作为缺省状态产 生相干光。但是， 一般下文描述的实施例还可以调整为使用其他量子
态，例如挤压态、猫态、NOON态、或包含具有不同光子数的分量的 状态(即多个Fock态的总和)。图示的实施例中的分束器124将来自光源122的光脉冲分束，以 产生探测脉冲和参考脉冲。作为一个具体示例，下文假定探测脉冲是 相干态|00，本文中有时称为探测状态|01>。本地光系统128将与探测 状态la〉对应的光导向到所选的物质系统110，并在信道155上输出从 物质系统110发出的光。还可以经由光系统128来导向分束器124的 第二输出模式以供在信道155上传输，以及作为用于接收器部分140 执行的测量的参考信号或本地振荡器来使用。图1B中的接收器部分140包括物质系统130、用于物质系统的 本地变换的状态旋转系统138、用于对探测脉冲执行置换操作的系统 146、本地光系统或网络148、以及测量系统170。物质系统130与物 质系统110基本完全相同且与之——对应，虽然图1B中仅示出两个 物质系统130，但是更典型的实施例可以在接收器部分140中包括多 个物质系统130。接收器部分140中的光系统148将来自信道155的 探测脉冲导向到可选择的物质系统130中，并将来自该物质系统130 的探测脉沖导向到测量系统170中。光系统148还可以将经由信道155 接收的参考脉冲导向到测量系统170,而不与任何物质系统130相互 作用。在下文描述的纠缠分布过程中，测量系统170在探测脉冲顺序 地与对应的物质系统110和130相互作用之后测量探测脉冲，并且测 量结果指示这些两个物质系统IIO和130是否处于具有提供期望的纠 缠的分量的量子态。发射器部分120与接收器部分140之间的示范纠缠分布过程开始 于才妾初始状态制备物质系统110和130。例如，最初可以:換状态|(|0> + |1>)来制^#个物质系统110或130。示范实施例中的每个物质系统IIO或130是腔中的电子自旋系统或原子，并提供具有稳定或 亚稳态状态|0>和|1>的八-系统。状态碌转系统118或138可以包括状态|0〉和|1〉之间的跃迁，例如通过才莫拟绝热拉曼i 夭迁(adiabatic Raman transitions)或自旋谐振技术来实现的跃迁，以便如果必要的话，产生 物质系统110和130的期望初始态。一般来说，每个物质系统110或130以取决于物质系统110或130 的状态的方式来与探测状态相互作用。适合的相互作用的一个示例是 在状态|0>和|1>的仅其中之一与探测状态|00相互作用时发生。或者， 两个状态|0>和|1>都可以与探测状态|0(>相互作用，但是可能导致具有 不同量级或方向的改变。图2是图示每个光子在探测状态la、量子比特基态|0>和|1>、以 及例如仅状态|1>与探测状态|01>相互作用时物质系统110或130的激 发态le〉的能量h。的关系的能级图。对于此示例的理想情况，光子探测在诱发量子比特状态|0>与激发态|6>之间的跃迁时是完全无效的， 这是因为IO至le〉的跃迁能量大大地不同于光子能量ha)、由于禁止性选择规则(prohibitive selection rule )的原因或二者的某种组合的原因。 图2所示的状态I0〉与I1〉之间的能量差A可以为正数、负数，或者如果 物质系统受限于禁止量子比特状态IO与激发态le〉之间的直接跃迁的选择规则，则不对其作任何要求。探测状态|01>中的光子与量子比特状态|1〉相互作用，但是优选地按足够提供色散的光物质相互作用的量 hcop以从量子比特状态ll〉与激发态le〉之间的跃迁解谐单个光子能量 hco。色散相互作用光物质相互作用可以通过方程式1的演变运算符^ 来建模，其中义是耦合常量以及a、分别是探测中所用频率的光子的 产生运算符和湮没运算符。从物质系统110和130的自发发射和从腔 114或134泄漏的光的有P艮概率对信道损耗添加小的校正。为了解释 简明，开始时，下文对纠缠分布的论述将省略此损耗。提供图2的能级关系的物质系统110或130的一个示例实现是半 导体施主束缚杂质，其中量子比特状态|0>和|1>由外部磁场诱发的电方程式1:
子Zeeman (塞曼)次能级来提供，以及激发态le〉由最低束縛激发态 来提供。其他示例包括原子、诱捕的离子或量子点的超并奇细结构。系 统110和130的适合腔物质系统实现的一些更具体的示例包括光学上 明亮的施主束缚杂质，例如具有中-Q微腔的19F:ZnSe,具有高-Q微腔 的光学上暗的"P:Si系统，以及大但非常高-Q腔中的诱捕的离子。这 里，实现量子比特的物质系统110或130有时称为原子，但是物质系 统可能是半导体杂质或包含许多原子的量子点。如上所述，图1B的发射器部分l加中的源122和分束器124产 生与探测状态|01>对应的相干光脉冲，该相干光脉冲通过光系统128来 导向。从光系统128，探测状态|01>进入腔114，并与原子112相互作 用，同时反射回通过腔114并离开腔114。探测状态|01>与状态|1>的色 散光物质相互作用诱发相移，但是状态|0>不与探测状态|01>相互作用。 因此，方程式2可以描述物质系统IIO和探测模式的总输出状态。在 方程式2中，《表示探测状态|01>与第一物质系统的相互作用的演化运 算符，^对应于探测状态|01>与腔114中的原子112的状态|1>相互作用 导致的相移，即^="。对于半导体杂质和真实腔参数，可以实现数量 级为IO-5至10"弧度的相移0 。方程式2:《[flO》4》)W]^-(IO〉l"hll》h-'-〉)/W在与物质系统110相互作用之后，来自探测l^沖的光遍历信道 155到接收器部分140。光系统128还传送参考脉冲，但是在不同时 间传送，以使接收器部分140中的光系统148可以区分4果测脉冲与参 考脉冲。光系统148将光从探测脉冲导向到物质系统130，在物质系 统130中光仅与物质系统130的状态|1>相互作用。纟果测脉冲然后通过 系统148返回，并传递通过相位门，相位门对探测脉沖引起固定相位 。 一个实施例中的相位门的相位常量W约等于4果测脉冲与状态 |1>相互作用导致的相移的负值。不考虑光子损耗，方程式3中给出包 括物质系统110和130以及探测脉冲的总状态。在方程式3中，《是 探测脉冲与第二物质系统的相互作用的演化运算符，以及|甲+〉是物质系统110和130的期望的纠缠态;(|01〉+|10〉)。<formula>formula see original document page 18</formula>方程式3:<formula>formula see original document page 18</formula>具有取决于相移e的结果的探测状态测量能够区分与纠缠态l甲+〉 对应的项与其他两项，当成功时，能够有效地将一对物质系统110和 130投影到纠缠态。例如，区分探测状态中的零相移与探测的土0相移 的测量能够成功地将物质系统110和130投影到纠缠态上大约时间的 50%，即当测量结果指示零相移时。如果物质系统110和130导致不同的相移《和《，则置换系统126 或146可以将探测状态的相位偏移《-《，从而在探测脉冲与物质系统 130相互作用之后，状态|屮+〉的|01>与|10>分量将具有相同的总相移 (例如0)。这将方程式3的项的相位偏移，但是仍使测量能够区分期 望的状态IT+〉。一种测量技术对探测状态应用置换-a ，例如将探测状态与参考 状态卜a〉干涉，然后测量所得到的状态中光子的数量。此类置换或干 涉可以在系统146中实现，例如通过将来自探测状态的光与通过分束 器来自本地振荡器的光干涉(例如使用强大的本地振荡器和高反射率 的分束器)来实现。置换操作将方程式3的状态变换成<formula>formula see original document page 18</formula> ，由此期望的项具有光子数零。 相应地，能够将无光子与一些光子区分的4企测器可以识别纠缠态的成 功产生。对位置或动量矩的测量也提供能够指示物质系统何时处于期望 的纠缠态IT+〉的信息。图3示出方程式3左边的三个项的相位空间分 布。为了方便，使用如下约定，幅度cc为实数，轴x和p分别沿着相 位空间的实轴和虚轴。正如公知的，相干态的幅度同时均等地散布在相位空间的c和/7方向上。因为期望的项在实数和虚数方向上都与其 他项分离，所以动量矩的测量p或位置矩的测量X可以区分期望的项。但是，对于小的e，这些项在虚数方向上的分离与相移e成比例，而实 数方向上的分离与w成比例。因此，动量矩测量应该会更好地区分相移P在10-5与10"弧度之间的典型应用中的期望的状态。图1B图示接收器部分140的实施例，该接收器部分140包括能 够对探测脉沖的动量矩执行零差测量的测量系统170。在图示的实施 例中，测量系统170包括50-50分束器172、光子4企测器174和176 以及处理电子装置178。在搡作中，本地光系统148将来自探测脉冲 的光与来自参考信号的光导向到分束器172的分开的输入端口中。探 测和参考信号基本同时地到达测量系统，但是可以调整光路长度上的 变化以在分束器172处在探测信号与参考信号之间引入期望的相位 p。具有处理电子装置178的光子检测器174和176测量来自分束器 172的相应输出端口的光子数之差。正如本领域中所公知的，通过适 当地选择分束器170和相位p (例如<^ = 71/2),测量电子装置178得到 动量矩的测量p。可以按方程式4中指示的来书写测量值/ 的物质系统的条件状态 (conditional state) |4^(>)〉。在方程式4中，函凄i C^(p)定义为G^p)^P)，其中8=0， ±1，且G々H^F叫[一(P—W]， e匈，以 及iC(p) =e-^。se(2"d)，其中产士l。参数t/在本文中称为可区分度并定 义为a sine 。当测量值使G(p)和d(p)相对于Q(p)较小时(至少 大约)，就产生了期望的纠缠态l^+〉。图3中的线310表示测量p的 相对概率，并具体图示在0和士d处的峰值概率，它们对应于函数Go(p) 和Gu(p)的峰值。方程式4. <formula>formula see original document page 19</formula>
将期望的纠缠态l甲+〉与方程式4的两个非期望的项区分的能力取 决于函数( 5(p)的对应高斯峰值之间的距离，并由此取决于可区分度& 仅当测量/ 在零周围的有限窗口内，即函数Go(p)的峰值周围时，通过选捧一对物质系统110和130来后选择最大纠缠态I^F+〉。在图3中， 选择窗口 320定义为包含绝对值小于参数pc的动量矩测量p，其中参 数A是根据可区分度^asin^选择的。在没有光损耗的情况下，可以 使用探测脉冲的大幅度来提供大的可区分度，并允许采用大窗口参数 pc以使纠缠的成功率逼近理论极限50%,同时状态l甲c(p》的未纠缠的 分量的系数变小。如果期望以降低纠缠成功概率Ps为代价来提高识别 最大纠缠态的可靠性，可以缩减窗口大小/ c。光子损耗在可区分度与去相干效应之间产生折衷。可以通过将信 道155中具有发射;72的分束器纳入考虑，来对例如由于信道155、腔 114和134的泄漏以及/人原子112和132的自发发射而导致的光子损 耗建模。损耗的光子提供"哪个路径"的信息，并且对损耗的光子的 跟踪引入去相干。更确切地来说，信道155中的损耗导致阻尼系数y(对 应于探测脉冲幅度的降低)以及与期望状态对应的分量中的额外相移 《。可以通过增加固定移相器或调整移相器144的相位常量(例如将 相移常量设为S-《)来抵消附加的相移的影响。利用此校正，指示成 功纠缠的测量产生如下形式的混合状态"2"2"2(卜cos。"VW，因此增力口了可区分度^^sinp《c^，增加了阻尼系数"，以及降低了纠缠态的保真度。可以将乘积W的最优值选 为胜过增加可区分度d而增加与阻尼系数y关联的去相干效应的值。信道损耗可能来自多种源头，包括有限模式耦合效率，但是可能 主因是光纤损耗。假定电信光纤和波长以及长度约为10公里的个别 链路155，密度损耗约为0.17dB/km， 10公里链路的发射参数是阻尼系数Z大约按比例确定为
//2=2/3。图4示出对于发射参数;72=2/3以及相移6 =0.01,所选纠缠 态的保真度f与窗口参数a和可区分度d = asin0成函数关系的理论图 线。由于可区分度与去相干之间的折衷，对于窗口大小参数A的每个 值，有得到最大保真度FMAx的最优可区分度d。图4中的约0.8的整 体最大保真度F皿对应于小窗口大小/7e，并因此仅可以使成功概率 Ps为零的代价来实现。但是，对于约0.5的后选择窗口大小a实现约 36%的合理的成功概率Ps，最大纠缠保真度FMAx约为0.77。这种纠 缠产生的高成功率与基于单个光子的方法的低效率形成鲜明对比。最 大保真度Fmax和成功概率Ps的上述值对应于约为1的可区分度A 这对于约为0.01弧度的相移^可以利用约为3600的合理探测幅度a 来实现。上文描述的纠缠分布过程采用可以由演化运算符^。expi^"M"卯' 描述的光位置相互作用。但是，可以相似地使用提供方程式5中所指 示形式的演化运算符的物质系统。在方程式5中，/是耦合常量，t 是相互作用时间，以及"t和"是探测中使用的光子的产生和湮灭运算 符。状态|0〉和|1〉是物质系统的状态，但是在本实施例中，状态|0〉和|1〉 都与探测光子相互作用。这种相互作用是由于色散域中的 Jaynes-Cumming相互作用所致。能够产生与方程式5对应的相互作用 的物理系统的示例包括含有量子点的腔QED系统。应该注意，对提 供方程式1的相互作用的系统添加适合的固定移相器将相互作用变换 成方程式5的形式，并且反之亦然。才是供演化运算符f7'的物质系统110和130可以在图1A的信道100 中、图1B的链路150以及图1C的量子中继器160中采用。方程式6 示出当纠缠分布过程使用与方程式5对应的物质光互相作用时，探测1 、1状态la〉与处于相应初始态<formula>formula see original document page 21</formula>的物质系统i io和 130相互作用的影响。如果0等于20',则所产生的状态与方程式3相 同。相应地，除了相移的改变外，使用方程式5的相互作用的纠缠分 布过程可以与上文完全相同的方式进行。<formula>formula see original document page 22</formula>方程式6图5A图示适于每个链路550-1至550-N使用两个探测的备选纠 缠分布过程的信道500。每个链路550-1至550-N在链路的相对两端 包括两个发射器部分520，以及两个光子信道155以将发射器部分520 连接到测量站570。每个发射器部分520包括一组物质系统510,它 们可以基本与上述的物质系统110和130完全相同，并且优选地提供 与方程式1或5的演化运算符f)或f)'对应的物质-光相互作用。图5B中更详细地图示适于在图5A的信道500中使用的通用链 路550。图5B中的每个发射器部分520包括物质系统510、能够执 行每个物质系统510的状态的本地变换的状态旋转系统118、第一相 干探测脉冲|01>的源122、用于对探测脉冲执行置换操作的系统126、 以及能够路由探测脉冲以便与物质系统510或置换系统126相互作用 或在对应的光子信道155上传输的本地光系统或网络128。在图5B的链路550上的纠缠分布操作开始于通过在相应初始态 l ^、 l、 、 1(例如W" 1 /1;和w )制备链路550的每个发射器部分520 中的对应物质系统510。源122产生探测脉沖，例如相干探测状态la 、和la、，光系统128将其导向到相应物质系统510中。为了提供示 例，下文论述假定与方程式5对应的一种类型的光-物质相互作用，但 是也可以采用其他类型的光-物质相互作用。在光-物质相互作用之后， 光系统128将相应的探测脉冲传送到测量站570。在进入测量站570 之前，方程式7指示物质系统510和4笨测"永沖的状态。 方程式7:
啦Wi ,》〉'M》2飛H(00〉卜^'〉卜^〉 + (01〉|战"|咖-"+(10〉|加^〉|^〉+| 》|從-"|加"测量站570包含50-50分束器572、测量系统574和576、以及 逻辑578。来自探测的光被施加到分束器572的输入端口 1和2,以 及光从输出端口 A和B发射出来。方程式8示出一对物质系统510 和从分束器510发射出的光的状态。方程弋8. 1。1〉1V5acos伊〉J/"v/^sin吃+|lO〉^acos《〉J-〖7^asW》测量系统574和576可以测量来自分束器578的相应端口 A和B 的光，并且测量结果将指示物质系统510的所产生的状态。例如，测 量系统574和576可以执行对从相应端口 A和B发射出的光的状态的 动量矩或位置矩的零差测量。更具体来说，对来自端口B的光的状态 动量矩的零差测量可以将方程式8的前两项与后两项区分。然后，可 以使用对来自端口 A的光的状态的零差测量来将物质系统的状态与 探测状态解纠缠。逻辑578分^t测量结果以确定物质系统510的状态，然后将经典 通信发送到一个或两个发射器站520，以指示物质系统510是否处于 期望的纠缠态，或命令一个或两个状态旋转系统118按需要执行一个 或多个本地操作以产生期望的状态。在一个示范过程中，如果来自端 口 A的光的动量矩的测量约为0，则系统的状态大约已知为 1(4V^iTx伊〉a+lK)〉卜V5"sin吃，并且可以示出来自端口 b的光的位置矩测量，任何将物质系统状态转换成？w阿+^w一，其中^)是位置 矩测量x的函数。在此情况中，测量站570命令一个旋转系统118执 行按基态的土20(;c)的单个量子比特旋转，例如l1》—e'^'卞X，以产生期 望的Bell态l甲+〉。或者，如果来自端口 B的光的动量矩测量约为0, 则系统的状态大约已知为l柳l^"e"Zl11〉17^6《、并且可以示出位置矩测量将物质系统状态转换成一100〉+,糊|11>，其中-oo是位置矩测量 x的函数。在此情况中，测量站570命令一个状态旋转系统118对一 个物质系统510执行比特翻转和按i^(力执行一个基态的旋转。上文参考图5A和5B描述的使用两个探测光束实现的纠缠分布 具有能够使量子中继器560之间的距离更远的优点。例如，链路550 中的每个探测脉冲存在与约为站560之间的距离一半传播关联的衰 减，但是图1A的信道100中的每个探测脉冲存在与站160之间的整 个距离传播关联的衰减。可以示出站560之间的距离可以大于站160 之间的最大距离50%以上。但是，这种分离的增加是以需要状态校正 (例如相移)为代价来产生期望的纠缠状态，并且需要在站560之间 的半途添加测量站570。使用上文的纠缠分布过程成功选择物质系统对可能产生对于纠 缠交换可能不足的保真度的纠缠态。具体来说，在对具有纠缠保真度 /的状态执行N次纠缠交换操作之后，最终的保真度量级约为/w，落 在零上，即对于约0.77的保真度4艮快没有纠缠。纠缠浓缩可以通过4吏 其他物质系统对的纠缠毁坏的测量为代价，来增加一些物质系统对的 纠缠的保真度。纠缠浓缩可以包括一^或两次纠缠蒸馏，这增加状态 的纠缠，以及包括纠缠纯化，这增加混合状态的纯度。 一般来i兌，纠 缠浓缩可以使用一些公知的过程来执行，例如Michael A. Nielsen和 Isaac L. Chuang所著的"量子计算和量子信息"("Quantum Computation and Quantum Information," Cambridge University Press, pp. 578-580, (2000); D. Deutsch、 A. Ekert、 R. Jozsa、 C Macchiavello、 S. Popescu和A. Sanpera所著的"噪声性信道上的量子隐私放大和量 子力口密的安全性，，("Quantum Privacy Amplification and the Security of Quantum Cryptography over Noisy Channels," Phys. Rev. Lett. 77, 2818 (1996));或C. H. Bennett、 G. Brassard、 S. Popescu、 B. Schumacher, J. Smolin和W. K. Wootters所著的"噪声性纠缠的纯化和经由噪声性 信道的可靠隐形传输"("Purification of Noisy Entanglement and Faithflil Teleportation via Noisy Channels," Phys. Rev. Lett. 76， 722 (1996))中描述的过程。一般来说，纠缠浓缩要求所选的量子比特对应该处于具有适合属 性的状态，例如具有大于二分之一的保真度。作为上述量子分布过程 的结果，所选的物质系统对的每个物质系统将处于混合状态，该混合 状态由链路的工作参数和测量结果决定，但是正如上文提到的，纠缠 分布可以提供足够的纠缠保真度(例如约为0.77)来用于浓缩。图6以示意图形式图示纠缠浓缩操:作的一个示例。对于此纠缠浓 缩操作，纠缠分布过程(例如上述的那些过程的其中之一)最初将量 子中继器610中的量子比特A1与量子中继器620中的对应量子比特 Bl纠缠，以及将量子中继器610中的量子比特A2与量子中继器620 中的对应量子比特B2纠缠。使用Bennet等人所述的技术，对量子比 特对A1-B1与A2-B2应用随机双向旋转，可以将每对的状态变换成 Werner态，Werner态是适于纠缠浓缩的一种形式。方程式9示出Werner态的一种形式，其中/是保真度—+lMk+>， l一〉-(M土l10〉)^^和k〉-floo〉士lll〉)/^是Bell态。方程式9: ^豕/k〉M+^(k〉—曙|，>〈"，〉^|)利用Werner态的所选对A1-B1和A2-B2的每一对，可以扭j亍双 向CNOT操作，其中一对A1-B1的状态控制对另一对A2-B2执行的 NOT操作，如图6所示。相应的站或量子中继器610和620中的测量 系统612和622基于CNOT操作的目标量子比特A2和B2,在计算中 净丸4亍投影测量(projective measurements),并且测量结果指示是否实 现了控制量子比特A1-B1的状态的纠缠保真度的增加。具体来说，如 果初始保真度/大于0.5且测量检测到状态|00>2或|11>2，则保真度增 加。纠缠浓缩还可以使用与图6相同的基本过程来执行，而无需变换到Werner态。上文描述的纠缠分布过程产生混合状态Pl2 ，它具有方 程式10a的一般性形式，其中Bell态l甲"和l,〉按上文定义。可以执行本地变换来对交换状态l"〈d和IOW或WW，以使方程式10A中 的系数A、 B、 C和D为C>D>A和B。利用图6中的每个量子比特对 A1-B1或A2-B2的此形式的状态，执行双向CNOT操作，并且测量系 统612和622执行相应量子比特A2和B2至计算基础|0>和|1>的投影 测量。如果来自测量系统612的测量结果与来自测量系统622的测量 结果相同，即检测到状态|00>2或|11>2,则控制量子比特对A1-B1将处 于方程式10B所示的状态/y。，其中N = (A+B)2+(C+D)2。状态,12具有比初始状态A高的保真度，因为 w ^使得期望的纠缠态 k^1更倾向于是状态人。方程式10A: A2"k+〉(叫+咖-〉(H+C—1++-〉〈^| 方程式10B:& =^>+〉^1+乎一〉 1+￡^>+>(叫+乎1<0( *—1 方程式10B对应于如下情况，A1-B1和A2-B2这两对最初都处 于具有方程式IOA的形式以及完全相同的系数A、 B、 C和D的状态。 但是，可以示出当量子比特对A1-B1处于方程式IOA形式的状态，系 数为Ai、 B。 d和Dp而量子比特对A2-B2处于方程式IOA形式的状态，但是具有不同的系数A2、 B2、C2和D2时，仍得到纠缠浓缩。可以使用奇偶校验门或其他量子门代替图6的CNOT门执行相似 的纠缠浓缩操作。可以在递增一对或多对量子比特的纠缠保真度的多步骤过程中 执行纠缠浓缩。图7A图示一个系统，其中量子中继器710包括8个 量子比特A1至A8，它们分别对应于另一个量子中继器720中的8个 量子比特B1至B8。可以将纠缠分布过程(例如上文描述的那些)应 用于每个量子比特对A1-B1至A8-B8以产生具有表示纠缠分布过程特 征的初始纠缠保真度FO的初始状态。 一般来说，每个量子中继器710 和720可以包括多于8个量子比特，图7A所示的8个量子比特对表 示纠缠分布成功的8个量子比特对。多步骤纠缠浓缩过程可以开始于对多组两个纠缠对执行并^f亍纠 缠浓缩操作。例如，使用图6所示的一种类型的纠缠分布操作，在测 量奇数编号的量子比特对之前，奇数编号的量子比特对A1-B1、 A3-B3、 A5-B5和A7-B7可以控制对相应偶lt编号的量子比特对 A2-B2、 A4-B4、 A6-B6和A8-B8的CNOT操作。图7A图示纠纟座浓 缩过程的第 一 步骤期间执行的四个纠缠浓缩操作。使用上文技术，浓缩操作的一部分将成功。图7B图示一个示例， 其中第 一步骤成功地将量子比特对A2-B2和A4-B4变换成具有4交高纠 缠保真度F1的状态，而对其他量子比特对执行的纠缠浓缩操作失败。 然后，使用第一浓缩操:作成功的量子比特对(例如图7B的示例中的 量子比特对A2-B2和A4-B4)来执行第二组并行纠缠浓缩操作。纠缠 浓缩操作的每个操作再次一部分时间成功，而产生甚至更高的保真度 纠缠态。在图示的示例中，其中第一纠缠浓缩操作中仅两个操作成功， 第二组纠缠浓缩操作包括可以产生量子比特对A4-B4的更高保真度 纠缠的单个操作。但是，如果先前步骤的纠缠浓缩过程成功产生具有 更高保真度纠缠的两个或两个以上量于比特对，则多组两个量子比特 对可以在后续步骤的纠缠浓缩步骤中进行进一 步的纠缠浓缩。可以与对其他量子比特对的纠缠浓缩操作并行地对量子比特对4丸行纠缠分布操作。例如，当纠缠分布最初对于一个量子比特对失败， 对量子比特对的纠缠浓缩操作失败，或因测量毁掉该量子比特对的纠 缠时，纠缠分布式才喿作可以立刻对该量子比特对开始。图7B图示一 个示例，其中与第二组纠缠浓缩操作并行地或与之重叠地对量子比特 对A1-B1、 A3-B3、 A5-B5、 A6-B6、 A7-B7和A8-B8执行纠缠分布。
还可以对具有不同纠缠保真度的状态进行纠缠浓缩操作。图7C图示一个示例，其中来自图7B所示的步骤的浓缩操作成功地产生具 有更高保真度F2的量子比特对A4-B4的状态，以及来自图7B所示的 步骤的纠缠分布操作成功地纠缠量子比特对A3-B4、 A5-B5和A7-B7。 在对应于图7C的步骤中，即使量子比特对A3-B3和A4-B4处于具有 不同纠缠保真度的状态时，仍可以对两个量子比特对A3-B3和A4-B4 执行纠缠浓缩操作。可以同时地对其他多组两个量子比特对(例如量 子比特对A5-B5和A7-B7 )执行纠缠浓缩操作。图7A、 7B和7C图示的步骤仅是可以在纠缠浓缩过程中采用的 原理的示例。每个步骤采取的动作一般将取决于来自先前步骤的结 果，并且将根据纠缠分布和纠缠浓缩操作成功的概率随机地改变。可 以^使用经典软件或固件来控制量子中继器，以通过产生具有期望纠缠 保真度的状态的一个或多个量子比特对所需的步骤次数，来实现图示 的原理。 一旦产生一个适合的纠缠态，则可以使用具有长相干时间的 系统来存储状态，同时生成其他适合的纠缠态。例如， 一旦物质系统 对中的电子自旋状态处于具有期望纠缠保真度的状态，则下文进一步 描述的操作可以将电子自旋态交换到具有相同量子信息但是相干时 间更长的核自旋态。需要纠缠浓缩的系统中一个常见难题是实现CNOT操作的需要。 具体来说，可以使用控制符号门和Hadamard变换来实现CNOT操作， 但是直接为受控的符号门提供大相移(即"相移)的非线性系统可能 难以实现。根据下文进一步描述的本发明一个方面，投影或其他纠缠 浓缩过程所需的CNOT或受控符号搡作(sign operation)可以使用相 对较小的相移来实现，而此相对较小的相移由探测脉冲与物质系统 (例如上述的物质系统110、 130或510)的相互作用来得到。为图1A的通信信道100或图5A的通信信道500扭Z亍的纠缠浓 缩过程在相邻量子中继器或站中产生物质系统的高保真度纠缠态。纠 缠的交换操作可以在量子中继器内本地执行，以在远距离站或中继器 之间产生纠缠。例如，图1C的量子中继器160包含4妄收器部分140 和发射器部分120,它们包含上文参考图1B描述的部件，但是图1C 另外还图示状态传感器115和135以及置换系统126和146,它们在 下文进一步描述的纠缠交换中使用。在纠缠交换才喿作的开始处，远程 中继器或站(未示出)中的第一物质系统A处于与量子中继器160的 接收器部分140中的第二物质系统B的纠缠态IT〉w,以及量子中继 器160的发射器部分120中的物质系统C处于与另 一个量子中继器或站(未示出)中的物质系统D的纠缠态l甲〉a)。状态I甲〉AB和I屮〉CD可以通过纠缠分布辅以或不辅以上面描迷的纠缠浓缩来产生。本示例中 的纠缠交换操作的目的是要通过执行量子中继器160中的仅本地操 作、经典通信和远程量子中继器或站中的本地变换，来产生远程物质 系统A与D的纠缠态I甲〉AD。虽然对于本发明使用是不严格要求的， 但是纠缠交换通常也产生物质系统B与.C的纠缠态。示范纠缠交换操作包括对量子中继器160中的物质系统B和C 所对应的量子比特执行CNOT操作，测量一个物质系统B或C的状 态以区分该物质系统处于状态|0>还是| 1 >，基于对角测量另 一个物质系统C或B以区分另一个物质系统处于状态(问+IW^^还是 (|0〉-|1>)A^，并且如果必要的话，在远程站处执行本地变换以便进行 状态校正。更确切地来说，方程式11A图示当最初的纠缠对处于上文 给出的最大纠缠态|甲+〉时，CNOT操作对本地物质系统B和C以及远 程物质系统A和D的初始状态的影响。可以按下文进一步描述的使用 量子中继器160的结构来执行CNOT操作。状态传感器135则可以测 量物质系统B的状态(例如测量原子132中的激活动电子(active electron)的自旋态)，从而产生方程式11B所示的两个状态的其中之 一，其中所产生的具体状态取决于测量结果。方程式11C示出根据测 量站160中物质系统B与C的结果可以产生物质系统A与D的四个 不同的最大纠缠态(Bell态)。对于此特定示例，产生期望的纠缠态I T+〉
方程式11A: 方程式11B:方程式11C:时间的25% (即对于测量B=l和C=+)。可以废弃与其他测量结果对 应的这些状态，或更优选地，可以使用经典通信来命令远程站对物质 系统A和/或C4丸行本地才喿作，以产生期望的状态K〉。<formula>formula see original document page 30</formula>物质系统A和D可以处在通过相应信道155直"t妾连接到量子中 继器160的站中，或可以是远离量子中继器160的许多链路。纠缠分 布过程在相邻站或中继器160之间产生纠缠，但是一系列的纠缠交换 操作可以增加纠缠的物质系统之间的距离。例如，在图1A中，在量 子中继器160-1至160- (N-l)处顺序执行的纠缠交换操作可以将相 邻量子中继器和站160之间的初始纠缠转换成端站160-0和160-N之 间的纠缠。用于将纠缠转移到端站160-0和160-N的更快方法可以并 行地执行多个纠缠交换，例如尚未执行交换的每隔 一个量子中继器 160-1至160-(N-l)并行地执行。并行和顺序纠缠交换搮:作的多种其他 组合同样可以产生物质系统110-0和130-N的纠缠态。对于纠缠浓缩和交换操作，都需要两个量子比特门，例如CNOT 门、受控符号门或奇偶校^r门。为此目的，可以在量子中继器或站160 中实现基于物质系统110或130的免测量确定性受控符号门和相干探 测状态的无条件置换。方程式12指示用于受控符号操作的幺正运算 符&。在方程式12中，运算符^和《对应于上文方程式1、 2和3
的相互作用演化运算符。运算符力W)s"pwat-^a)描述按"的探测状态 的相位空-间置换，在方程式12中，- = "(1-0。方程式12:《'=《(。》^)^("力(-,)《(。》(-釣A(。图1B的链路150中的纠缠浓缩操作一般包括对发射器部分120 中的两个物质系统110或对接收器部分140中的两个物质系统130执 行方程式12的操作。例如，对图1B的发射器部分120中的两个物质 系统IIO执行受控符号操作包括l),从源122产生探测状态，并将探 测状态通过光系统128导向到第一物质系统110; 2)将返回的光导向 到最初为置换--配置的置换运算符126; 3)通过光系统128返回揮: 观'J,以便与第二物质系统IIO相互作用；4)将返回的光导向到然后为 置换-ZT配置的置换运算符126,即先前置换的复共轭；5)通过光系 统128返回探测，以便与第一物质系统IIO进行第二相互作用；6)将 返回的光导向到现在为置换々配置的置换运算符126;以及7)通过光 系统128返回探测，以便与第二物质系统IIO进行第二相互作用。上面的序列之后，探测状态几乎与物质系统110的状态解纠缠， 并且因为不测量4果测，所以对物质系统110基本^:有去相干效应。方 程式13中指示有效演化运算符&，其中相移是系统参数a和e的函凄t。方程式13:《,100〉=一100〉'《,H="'|oi> 《，|10>" |10〉， 《,|11〉""11〉为了产生受控相位操作，对物质系统110执行本地变换，以4吏仅 状态|11>具有相移。具体来说，从物质系统110的状态移除全局相位 e'*，状态旋转系统118执行单个量子比特操作A"^,',)11、以及 状态旋转系统138执行单个量子比特操作l&"^—'"'"^11〉2。可以使用方程式1的光物质相互作用，并根据期望的相移适合地选择探测幅度来 实现单个量子比特操作。方程式14指示演化运算符《,和本地梯:作的
组合影响。如方程式14所示，该组合利用相位常量A = Pm+伊"--灼。来 实现受控相位操作，并且该相位常量％可以示出为等于 8a2sin20(2coaP-cos20)-8a:shi2P 。控制符号门导致如下一个特殊的情况，其中相位常量<formula>formula see original document page 32</formula>,这是在<formula>formula see original document page 32</formula>时发生的情况。<formula>formula see original document page 32</formula>对图1B的接收器部分140中的两个物质系统130的受控符号才喿 作，可以与上文针对发射器部分120的部件126和128描述的相同方 式，使用接收器部分140的部件146和148来执-f亍。相似的过程可以实现图1C的量子中继器160中的物质系统110 和130上的受控符号操作，例如作为纠缠交换过程的一部分来执-f亍。 在站160中，与链接信道165组合的本地光系统128和148在受影响 的物质系统110和130与置换运算符126或146之间执行探测状态的 路由。另外，受控符号操作包括基本如上所述的一系列步骤。根据本发明另 一个实施例的受控相位门在物质系统中使用光4果 测中的条件旋转和探测状态的无条件置换来构建受控置换门，并由受 控置换门构建控制相位门。图8A图示执行受控置换才喿作的一系列量 子门810至850。门810、 830和850是可以使用例如图5B的发射器 部分520中的系统126来实现的无条件置换。如上所述，系统126可 以使用分束器和本地振荡器来实现置换操作，该本地振荡器具有为提 供探测状态的期望置换而选择的反射性和输入密度。门820和840是受控相位门。可以通过将探测光束导向到具有与 量子比特对应的状态的物质系统510中，以在发射器520中的量子中 继器中实现门820。如上所述，所产生的相位变化是有条件的，因为 状态|0>和|1>导致相反的相移±0。门840导致是门820的条件相移的 负数的条件相移，并且可以使用状态旋转系统118在发射器520中实 现，以在将探测状态导向到与量子比特对应的物质系统510之前和之
后，对量子比特扭^f于NOT纟喿作。图8B图示相位空间中执行与量子门810至850对应的操作在相 位空间中的影响。对于在相位空间中具有位置800的初始探测状态， 置换门810将该位置沿着x轴偏移^cose'，其中r是随意的常量，e'是 来自方程式5的光-物质相互作用的相移的量级。条件相位门820将探 测状态在相位空间中的位置按围绕相位空间的原点反时针和顺时针 方向旋转角度W,分别对应于量子比特状态|0>和|1>。置换门830沿着 x轴将状态探测的状态返回偏移置换-2y。条件相位门840将探测状态 在相位空间中的位置按围绕相位空间的原点反时针和顺时针方向錄: 转角度W，分别对应于量子比特状态|0>和|1>。最后，置换门850沿着 x轴将探测状态移位置换^coW。可以示出不考虑初始探测状态，这些 操作的净影响是沿着与无条件置换810、 830和850垂直的方向在相 位空间中的条件置换，并且最终位置860和865的置换的量级是 2ysiW。相应地，图8A和8B的示范实施例产生受控置换AW"1^、)， 其中 是计算基础中的Pauli矩阵。条件置换A(力'y血^》提供可以用于纠缠分布操作的光-物质相互 作用的另一个示例。例如，在图1B的链路150中，发射器部分120 (如果使用提供方程式5的光-物质相互作用的物质系统110)可以执 行上文描述的受控置换操作，并将所产生的探测状态传送到接收器部 分140。接收器部分140使用物质系统130提供方程式5的光-物质相 互作用，以执行另一个受控置换操作。如果量子比特对处于状态|01> 或|10>,则受控置换取消。状态IOO和lll〉分别导致总置换紗s^伊和 -4winP'。相应地，利用物质系统110和130的适合地初始化的状态， 动量矩测量可以将包括状态|01>和|10>的期望纠缠态与包含|00>和 |11>的状态区分。受控置换还可以用于构建受控相位门。方程式15A指示演化运算 符& 使用受控置换运算符化构建。图9图示当两个量子比特处于状态|00>、 |oi>、 |10>和|11>时，演化运算符^' 对#:测状态在相位空间 中的位置影响。如图9所示，探测状态返回到相位空间中的初始位置， 而不管量子比特的状态。因此，探测状态从量子比特状态完全解纠缠。对量子比特状态的影响可以从方程式15A使用关系 i^)i^)-i^A)exp[/to(VO]来推导出。具体来说，方程式158示出演化运算符^;导致状态IOO和I11〉的相移:说爲以及导致状态I01〉和 110的相移-^A。如果AA选为等于"8，则相移为士"4，并且可以通过将G^与单个量子比特旋转^'"和々"组合来创建受控符号门，如 方程式15C所示。基于方程式15C实现受控符号操作的优点在于，实 现不取决于参数"或e或要求乘积W具有特定的大小。而且，受控符 号门是确定性的，即成功操作之前不取决于具体测量结果。 方程式15A: K = A(鴻。")A(A。")AHA&)A(-A&)方程式15B: ^ = exp[f2AA"a""方程式i5c/,，',"比[W丰〉+一+l"》Ww》+l叫丰H11〉上述的受控符号操作可以使用如纠缠分布中所采用的相同的明 亮相干光资源(例如来自源122的探测状态la〉)和弱的光物质相互 作用(例如物质系统110和130)来实现。受控符号门，连同单个量子比特旋转和测量(可以通过明亮光探 测的零差检测来执行)对于纠缠浓缩和交换是足够的资源。利用示范 纠缠分布、浓缩和交换过程，每个站160的量子比特的数量与端站之 间的距离仅呈对数地增加，可以实现合理的通信量子比特率以达到合 理的门误码。在此方案中，每个中继器站根据一组简单规则自住性地 工作。在整个协议中，包含未同时纠缠的量子比特的所有站发送脉冲， 以便立即尝试在最近邻的站上生成纠缠。同时，通过预定数量的步骤 来将所有纠缠的量子比特纯化， 一旦完成此步骤，则发生纠缠交换以 渐进地倍增纠缠对所通过的距离。在纠缠交换之后，可以再次尝试浓
缩，全部与空闲量子比特处创建新纠缠同时进4亍。这些4喿作的限制时
间量程(timescale)是光沿着光纤在站之间传#"以传送纠缠脉冲和经 典信号的时间，其中经典信号包含纠缠后选择、浓缩和交换的测量结 果。
作为示例，Monte Carlo模拟1280公里上通信且中继器站间隔10 公里和每个链路有16个量子比特对，模拟结果指示端站的量子比特 的纠缠率很大程度地依赖于纠缠交换之前和之后的纠缠浓缩步骤的 次数。如果使用更多浓缩步骤，则以更慢的速率可以实现更大保真度， 而较少的浓缩步骤导致更快速率而较小的最终保真度。速率和保真度 由于本地门误码而下降。如果本地损耗足够低，则可以达到每秒几乎 100个远程对的速率。
物质系统的相干时间是长距离上量子通信的关键问题。例如，光 信息在1280公里在光纤中传播的时间约为6毫秒，这已经比室温下 许多固态电子自旋系统中观察的去相干时间长。对此，必须增加纠缠 浓缩和交换操作所需的额外时间。才艮据本发明一方面，可以通过引入 核子存储器将物质系统的有效相干时间延长，因为隔离的核子的解相 干时间至少数秒。对于隔离的核子，可以采用快速ENDOR (电子-核 子双谐振)脉冲技术来实现快速存储和电子自旋态的检索。例如参见 F. Jelezko等人所著的"单个核子自旋的相干振荡的观察和两量子比特 条件量子门的实现，，("Observation of Coherent Oscillation of a Single
Phys. Rev. Lett. 93, 130501 (2004))。量子点中的原子核系综(nuclear ensemble)还可以适于存储以延长相干时间，但是在此情况中去相干 限制的存储器时间可能更短。
另一个技术考虑是，优化常规长距离通信信道和光纤，即对于电 信波长具有最小损耗，而量子中继器内相互作用的相干光的固态源可 能以较短波长来工作。相应地，在光纤上传输之前和之后可能需要对 强光探测执行相位保留波长转换。
虽然本发明是参考具体实施例来描述的，但是该描述仅是本发明 应用的一个示例且不应视为限制。对所公开的这些实施例的特征的多 种调整和组合均属于所附权利要求定义的本发明范围内。
权利要求
1. 一种包括发射器部分的量子中继器，所述发射器部分包含探测状态中具有不同光子数的分量的探测脉冲源；第一组物质系统，其中每个物质系统具有能够与所述探测脉冲中的光子相互作用以更改所述探测状态的相位空间位置的第一量子态；以及第一光系统，所述第一光系统能够导向所述探测脉冲以便与所述物质系统的其中之一相互作用，并导向从所述物质系统发出的光以在第一信道上传输。
2. 如权利要求1所述的量子中继器，其中还包含第二发射器部 分，所述第二发射器部分包括第二组物质系统，其中每个物质系统具有能够与所述4采测脉冲中 的光子相互作用以更改所述探测状态的相位空间位置的至少 一个状 态；以及第二光系统，所述第二光系统能够导向所述探测脉冲以便与第二 组中的物质系统的其中之一相互作用，并导向从所述物质系统发出的 光以在第二信道上传输。
3. 如权利要求1所述的量子中继器，其中还包含接收器部分，所 述接收器部分包括第二组物质系统，其中第二组中的每个物质系统具有能够与所述 探测脉冲中的光子相互作用以更改所述相位空间位置的至少 一个状态；测量系统；以及第二光系统，所述第二光系统能够导向从第二信道接收的光以便 与第二组中的物质系统的其中之一相互作用，并将从所述物质系统发出的光导向到所述测量系统中。
4. 如权利要求3所述的量子中继器，其中所述测量系统测量所述 探测状态的动量矩。
5. 如权利要求l所述的量子中继器，其中所述源包括激光器，所 述激光器产生相干态，从该相干态最初形成所述探测状态。
6. 如权利要求1所述的量子中继器，其中所述^:测状态是从由如下项组成的集合中选择的相干态、挤压态、猫态和NOON态。
7. 如权利要求1所述的量子中继器，其中所述物质系统的每个物 质系统包括在腔内的电子自旋系统，其中所述腔大约与所述#1测脉冲 的波长谐振。
8. 如权利要求1所述的量子中继器，其中在所述物质系统的每个 物质系统中，所述探测脉沖中的光子与所述第一量子态相互作用导致 第一相移。
9. 如权利要求8所述的量子中继器，其中所述物质系统的每个物 质系统具有第二量子态，所述第二量子态与所述第一量子态一起提供 量子比特的基态，以及所述探测脉冲中的光子与所述第二量子态相互 作用导致不等于所述第一相移的第二相移。
10. 如权利要求1所述的量子中继器，其中所述物质系统的每个 物质系统具有第二量子态，所述第二量子态与所述第一量子态一起提 供量子比特的基态，以及所述第二量子态不与所述探测脉沖中的光子 相互作用。
11. 如权利要求1所述的量子中继器，其中所述第一信道包括光纤。
12. —种用于纠缠物质系统的量子态的方法，所述方法包括导向探测脉沖以与第一站中的第一物质系统相互作用，其中所述 探测脉沖处于具有不同光子数的分量的探测状态；通过将所述第 一站连"t妄到第二站的光子信道传送所述纟笨测脉冲； 导向所述探测脉沖以与所述第二站中的第二物质系统相互作用；以及在所述探测脉冲与第 一物质系统和第二物质系统相互作用之后 测量所述探测脉冲，^v而确定第一测量结果，其中所述第一测量结果 指示第一和第二物质系统的纠缠。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述探测状态是从由如下项 组成的集合中选择的相干态、挤压态、猫态和NOON态。
14. 如权利要求12所述的方法，其中所述第一测量结果指示所述 探测脉冲与所述第一物质系统和所述第二物质系统相互作用导致的 相移。
15. 如权利要求12所述的方法，还包括导向第二:^果测^c冲以与所述第 一站中的第三物质系统相互作用， 其中所述第二探测脉冲处于具有不同光子数的分量的探测状态；导向所述第二探测脉冲以与所述第二站中的第四物质系统相互 作用；以及在所述第二探测脉沖与第三物质系统和第四物质系统相互作用 之后测量所述第二探测脉冲，从而确定第二测量结果，其中所述第二 测量结果指示第二和第三物质系统的纠缠。
16. 如权利要求15所述的方法，其中第一和第二测量结果指示第 一与第二物质系统纠缠以及所述第三与第四物质系统纠缠，以及所述 方法还包括执行纠缠浓缩操作，所述纠缠浓缩操作毁掉第三与第四物 质系统的纠缠以增加第 一与第二物质系统的纠缠保真度。
17. —种用于纠缠物质系统的量子态的方法，所述方法包括导向第一#:测脉冲以与第 一站中的第一物质系统相互作用，其中 所述第一探测脉冲处于具有不同光子数的分量的探测状态；通过将所述第 一站连接到测量站的第 一光子信道传送所述第一 探测脉冲；导向第二探测脉冲以与第二站中的第二物质系统相互作用；以及通过将所述第二站连接到所述测量站的第二光子信道传送所述第二纟果测脉冲； 在所述测量站中对第 一和第二探测脉沖执行测量，其中所述测量 提供指示第 一和第二物质系统的纠缠的结果。
18. 如权利要求17所述的方法，其中所述第二探测脉冲处于具有 不同光子数的分量的探测状态。
19. 如权利要求17所述的方法，其中执行所述测量包括 通过分束器的输入端口导向第一和第二探测脉冲；以及 测量来自所述分束器的输出。
20. —种包括多个链路的量子通信系统，其中每个链路包括 第一光子信道；连接到所述第 一光子信道的第 一端的第 一站，所述第 一站包括 探测状态中具有不同光子数的分量的第 一探测脉冲的源； 第一组物质系统，其中每个物质系统具有能够与所述第一 探测脉冲中的光子相互作用以更改所述探测状态的相位空间位置的 至少一个量子态；以及第一光系统，所述第 一光系统能够导向所述第一^:测脉冲 以便与所述物质系统的其中之一相互作用，并导向从所述物质系统发出的光以在所述第一光子信道上传输；以及连接到所述第 一光子信道的第二端的第二站。
21. 如权利要求20所述的系统，其中在每个链路中，所述第二站 包括第二组物质系统，其中第二组中的每个物质系统具有能够与所述 第 一探测脉冲中的光子相互作用以更改所述相位空间位置的至少一个量子态；测量系统；以及第二光系统，所述第二光系统能够导向从所述第 一光子信道接收 的光以便与第二组中的物质系统的其中之一相互作用，并将从所述物 质系统发出的光导向到所述测量系统中。
22. 如权利要求20所述的系统，其中所述每个链路还包括 第一端连接到所述第二站的第二光子信道；以及 连接到所述第二光子信道的第二端的第三站，其中所述第三站可 以通过所述第二光子信道将第二探测脉冲传送到所述第二站；以及 所述第二站包括适于测量第 一和第二探测脉冲的测量系统。
23. —种用于纠缠物质系统的量子态的方法，所述方法包括 对多个链路执行第 一纠缠分布操作，其中所述链路的每个链路连接一对对应的站，以及所述站的每个站包括与连接到所述站的所述链 路的每个链路关联的多个物质系统；对于每个链路，识别通过所述第一纠缠分布操作成功纠缠的物质 系统对，以及所述第一纠缠分布搮:作未能创建纠缠的物质系统对；以 及对成功纠缠的物质系统对执行第一纠缠浓缩操作；同时对所述第 一纠缠分布操作失败的所述物质系统对，执行进一步纠缠分布操作。
24. 如权利要求23所述的方法，还包括对物质系统对执行进一步 纠缠浓缩操作，所述物质系统包括具有由所述第一纠缠浓缩操作提高 了的纠缠保真度的物质系统对、以及在进一步纠缠分布操作期间纠缠 的物质系统对。
25. 如权利要求23所述的方法，其中执行所述纠缠分布操作和所 述纠缠浓缩操作包括所述物质系统的电子自旋态与一个或多个光子 探测脉沖的相互作用，以及所述方法还包括在未在执行电子自旋与所 述光子探测脉冲的相互作用时一个或多个时间段期间，将所述物质系 统中的电子自旋的状态转移到核自旋的状态。
26. —种用于实现量子门的方法，包括将处于探测状态的探测脉冲导向到处于表示第一量子比特的第 一状态的第 一物质系统，其中所述4果测脉沖与所述第一物质系统的相 互作用导致所述4笨测状态中的条件相移；对所述探测脉冲执行第 一置换操作，其中所述第 一置换操作将第一置换引入所述^:测脉冲； 将所述探测脉冲导向到处于表示第二量子比特的第二状态的第 二物质系统，其中所述探测脉沖与所述第二物质系统的相互作用导致所述探测状态中的条件相移；对所述探测脉冲执行第二置换操作，其中所述第二置换操作将第 二置换引入所述探测脉冲，所述第二置换是所述第一置换的复共轭；将所述探测脉冲导向回所述第 一物质系统，其中所述探测脉冲与 所述第一物质系统的进一步相互作用导致所述探测状态中的条件相 移；对所述探测脉冲执行第三置换操作，其中所述第三置换操作将第 三置换引入所述探测脉冲，所述第三置换是所述第一置换的负数；以 及将所述探测脉冲导向回所述第二物质系统，其中所述^:测脉冲与 所述第二物质系统的进一步相互作用导致所述探测状态中的条件相 移。
27. 如权利要求26所述的方法，其中所述第一置换等于所述探测 状态的幅度与常量i-l的乘积。
28. —种用于实现量子门的方法，包括对处于探测状态的探测脉冲执行笫一置换操作，其中所述第一置 换搡作将第一置换引入所述探测状态；将所述探测脉沖导向到处于表示第 一量子比特的第 一状态的第 一物质系统，其中所述探测脉冲与所述第 一物质系统的相互作用导致 所述#:测状态中的第 一条件相移；对所述探测脉沖执行第二置换操作，其中所述第二置换操作将第 二置换引入所述探测状态；对所述探测状态执行第二条件相移，以及对所述探测脉冲执行第三置换操作，其中所述第三置换操作将第 三置换引入所述探测状态，所述第三置换等于所述第一置换。
29. 如权利要求28所述的方法，其中所述第一置换的量级与所述 第二置换的量级的比值是cosθ/2，以及θ是第一和第二条件相移的相位常量。
全文摘要
一种量子中继器包括含有源、一组物质系统和光系统的发射器部分。该源产生具有不同光子数的分量的探测状态的探测脉冲，每个物质系统具有与探测脉冲中的光子相互作用以在探测状态的相位空间位置中引入变化的至少一个状态。光系统可以导向探测脉冲以与物质系统的其中之一相互作用，并导向来自该物质系统的光以便在第一信道上传输。
文档编号H04B10/70GK101401116SQ200680037481
公开日2009年4月1日 申请日期2006年8月11日 优先权日2005年8月12日
发明者K·内莫托, P·范罗克, W·J·蒙罗, Y·亚马莫托 申请人:惠普开发有限公司;大学共同利用机关法人信息与系统研究机构