[发明专利]增加成功纠缠建立速度的方法和装置及使用其的量子中继器

说明书

技术领域

本发明涉及建立纠缠的方法和装置以及使用其的量子中继器。

背景技术

在量子信息系统中，使用量子系统的“状态”来保持信息；一般情况下，其是提供量子信息的单位(其称为量子比特或“qubit”)的两级量子系统。与离散的经典数字状态不同，量子比特并不受限于离散状态，而是在任何给定时刻，处于两种状态的叠加。

任何两级量子系统都可以用于量子比特，目前已实施了一些物理实现，其包括基于单光子的极化状态、电子自旋、核自旋和光的相干状态的实现。

量子网络连接提供远程端点之间的量子信息的通信。这种连接的潜在地使用包括量子计算机的网络化以及“量子密钥分发”(QKD)，其中在后者中，使用量子信道和具有完整性的认证的(但不需要是保密的)经典信道来生成共享的、保密的、随机的经典比特。通常，用于在量子网络连接上传送量子信息的处理，提供随着传输距离的增加而下降的性能，从而在端点之间设置了上限。由于通常来说，量子状态是不可复制的，因此不能通过使用经典意义上的中继器来增加端点的分开距离。

在两个间隔的位置之间传送量子信息的一种方式，使用称为‘量子隐形传送(teleportation)’的技术。其使用位于间隔的位置的各一边的两个纠缠的量子比特(已知为贝尔对)；本说明书中还使用术语“纠缠(entanglement)”一词来指代两个纠缠的量子比特。通常，这种分布的贝尔对的建立，由通过光信道(例如，诸如光纤之类的光波导)发送的光子作为媒介。虽然这种处理是距离受限的(其中，来自两个不同的贝尔对的各自量子比特是同处一地的)，但可以通过在这些同处一地的量子比特之间实施的本地量子操作来组合(或者‘合并’)贝尔对。这种公知为‘纠缠交换’的处理，导致贝尔对的两个非同处一地的量子比特之间的纠缠，而同时同处一地的量子比特基本停止进行纠缠。

拥有同处一地的量子比特，并执行本地量子操作以合并贝尔对的设备称为“量子中继器”。量子中继器的基本原理是与两个相邻的间隔节点中的每一个建立各自的贝尔对，并随后对贝尔对进行合并。通过链接多个量子中继器，可以在间隔任意距离的端点之间建立端到端纠缠，从而允许在任意间隔的端点之间进行量子信息的传送。

应当注意的是，虽然QKD并不直接需要纠缠的状态，但通过使用量子中继器建立远距离贝尔对有助于实现远距离QKD。此外，分布式量子计算的更多其它应用也使用分布式贝尔对。

本发明涉及间隔的量子比特之间的纠缠的建立。

发明内容

根据本发明，提供了分别如所附权利要求1和7中所述，对间隔的量子比特进行纠缠的装置和方法，以及相应的如权利要求11和12中所述的量子中继器。

附图说明

现参照附图，通过非限制性示例的方式，来描述本发明的实施例，其中：

图1A是描述用于对两个量子比特进行纠缠的已知操作的图；

图1B是描述用于延伸现有的纠缠，以建立涉及原始纠缠的量子比特中的一个和一个新量子比特的新纠缠的延长操作的图；

图1C是描述用于通过将现有的纠缠与另一个纠缠进行合并，以建立涉及这些原始纠缠中的每一个纠缠里的一个量子比特的新纠缠，来延伸现有的纠缠的合并操作的图；

图2是描述用于在位于各个、间隔的节点中的两个量子比特之间执行纠缠操作的纠缠建立子系统的图；

图3A是描述如何在与单独使用图1A纠缠操作所可以实现的距离相比的更大距离上，使用量子中继器来在两个量子比特之间建立纠缠的图；

图3B是描绘如何使用量子中继器链来在任何任意间隔的节点对之间，建立延伸的纠缠的图；

图4是描绘用于执行各种量子相互作用的三种基本量子物理硬件模块(本申请称为“Q模块”)的图；

图5是描绘使用Q模块的图2纠缠建立子系统的实现的图；

图6是量子中继器的量子物理硬件的通用图；

图7是体现本发明的本地链路纠缠建立子系统(LLE)的图；

图8是修改形式的图7LLE建立子系统的图；

图9是描述在图7形式的LLE建立子系统周围建立的第一形式的量子中继器的图；

图10是示出第一形式的量子中继器如何与相邻的节点进行协作，以形成两个LLE建立子系统的图；

图11是示出如何对第一形式的量子中继器进行串行地光耦合，以便在相邻的中继器之间提供LLE建立子系统的图；

图12A是示出图9量子中继器的量子物理硬件的第一实现的图；

图12B是示出图9量子中继器的量子物理硬件的第二实现的图；