[发明专利]量子中继器以及用于创建扩展纠缠的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子中继器以及用于创建扩展纠缠(entanglement)的系统和方法。

背景技术

在量子信息系统中，信息被保持在量子系统的“状态”中；一般这将是提供称为量子比特或“qubit”的量子信息单位的两级量子系统。与离散的经典数字状态不同，qubit不限于离散状态，而是可以在任何给定的时间处于两种状态的叠加中。

任何两级量子系统可用于qubit，并且若干物理实现已经被实现，包括基于单光子、电子自旋、原子核自旋的偏振状态以及光的相干状态的实现。

量子网络连接提供在远程端点之间的量子信息通信。这样的连接的潜在使用包括量子计算机的联网以及“量子密钥分配”(QKD)，其中具有完整性的量子通道和认证的(但不一定是秘密的)经典通道用于创建共享的、秘密的、随机的经典比特。通常，当传输距离增加时，用于通过量子网络连接传送量子信息的处理提供降低的性能，从而在端点之间设置上限。因为通常不可能复制量子状态，因此不能通过使用经典意义的中继器来增加端点的分离。

在两个间隔开的位置之间传输量子信息的一种方法使用称为“量子隐形传态”(quantum teleportation)的技术。这利用位于间隔开的位置的各个位置处的称为Bell对的两个纠缠的qubit；术语“纠缠”在本说明书中也用于指两个纠缠的qubit。这种分散的Bell对的创建通常由通过光学通道(例如，诸如光纤的光波导)发送的光子来转达。虽然该处理是距离受限的，其中来自两个分离的Bell对的各自的qubit是共位(co-locate)的，但可能通过在位置相近的qubit之间实施的局部量子操作来组合(或合并)Bell对。称为“纠缠交换”的该处理导致在Bell对的两个非位置相近的qubit之间的纠缠，而位置相近的qubit完全停止纠缠。

作为共位的qubit的宿主并执行用于合并Bell对的局部量子操作的设备称为“量子中继器”。量子中继器的基本作用是创建具有两个相邻间隔开的节点的每一个的各个的Bell对，并且然后合并Bell对。通过链接多个量子中继器，可以在隔开任何距离的端点之间创建端到端纠缠，从而允许在任意间隔开的端点之间传输量子信息。

可注意，虽然QKD并不直接需要纠缠状态，通过量子中继器的使用的长距离Bell对的创建便于长距离QKD。此外，分散的量子计算的大部分其它应用将使用分散的Bell对。

本发明涉及间隔开的qubit之间的纠缠的创建以及便于远程端点之间的纠缠的创建的量子中继器的形式、管理和交互。

发明内容

根据本发明，提供了如所附权利要求1中所阐述的量子中继器。量子中继器可用作一节点链中的中间节点，以允许在该节点链的端节点中的qubit之间的端到端纠缠。

还提供了创建在一节点链的端节点中的qubit之间的端到端纠缠的方法，该节点链的中间节点是量子中继器，该方法在所附权利要求13中被阐述。

附图说明

现在将通过参考附图，以非限制性的例子的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1A是描述用于纠缠两个qubit的已知操作的图示；

图1B是描述用于扩展现有纠缠以创建新的纠缠的拉长操作的图示，该新的纠缠涉及最初被纠缠的qubit之一和新qubit；

图1C是描述用于通过合并现有纠缠与另一纠缠来扩展现有纠缠以创建新纠缠的合并操作的图示，该合并操作涉及来自每个原始纠缠的一个qubit；

图2是描述用于执行位于相应的间隔开的节点中的两个qubit之间的纠缠操作的纠缠创建子系统；

图3A是描述量子中继器可如何用于在比只使用图1A的纠缠操作可能有的距离更大的距离上创建两个qubit之间的纠缠的图示；

图3B是示出量子中继器链可如何用于创建在任何任意间隔开的节点对之间的扩展纠缠的图示；

图4是示出用于实现各种量子交互的在本文称为“Q块”的三种基本量子物理硬件块的图示；

图5是示出使用Q块的图2的纠缠创建子系统的实现的图示；

图6是量子中继器的量子物理硬件的一般图示；

图7是描述本发明的量子中继器实施例的一般形式的图示；

图8是示出用于创建在五个光耦合节点的链的端节点之间的端到端纠缠的体现本发明的过程的两个连续操作周期的图示，该链的中间节点是图7的形式的量子中继器；

图9是用在图7的形式的量子中继器中的可靠的局部链接纠缠创建子系统的图示；