量子中繼器

量子中繼器：量子通信系統使用糾纏光子對為信號源，而量子中繼器通過糾纏製備、糾纏分發、糾纏純化和糾纏交換來實現中繼功能的轉換器。 量子信號的傳輸距離由中繼級數決定。使用這種中繼器的量子通信系統可以用於長距離量子通信。

2017年10月，中國科學技術大學教授潘建偉及同事陳宇翱、趙博等人首次實現可擴展量子中繼器的光學演示。

基本介紹

• 中文名：量子中繼器
• 外文名：Quantum RePeater
• 性質：量子通信的轉換器
• 功能：切換量子信息、保存信息完整性

提出背景

量子通信由於其獨特的絕對安全功能，越來越受到各國學者的重視。在長距離量子通信系統中，可以依靠事先建立的、空間分離的兩體“ 理想” 糾纏純態傳輸信息，它們是量子通信的重要資源。但是，由於量子通信系統與信道的相互作用，會引起系統中純態的相干性衰減，從而喪失了各益加成分之間的相對因子的確定性，使各疊加成分的內部相位差的隨機性增加。

量子通信系統原理框圖

於是寄托在這種內部相干性上的t 子信息就會衰減,這種衰減隨著信息傳輸距離的增加而增加， 最終，使得量子信息傳輸失敗，因此需要在長距離系統中使用量子中繼器。

研究歷程

2015年8月，中國科學技術大學人員設計了一種新型的量子中繼方案。基於量子點雙激發的級聯過程，提出實現可擴展的量子點糾纏光源方案，可構建新型的量子中繼器。

2017年10月，中國科學技術大學教授潘建偉及同事陳宇翱、趙博等人利用參量下轉換光源，實現了基於線性光學的量子中繼器中的嵌套糾纏純化和二級糾纏交換過程，為將來實現基於原子系綜的可擴展線性光量子中繼器提供了前瞻性技術指引。

主要功能

一般來說，經典通信中，在利用中繼技術恢覆信號的能量同時，起了兩個方面的作用：一方面恢復了信號的傳輸特性，另一方面表示信息的比特也隨之得到了恢復。與經典中繼器不同，量子中繼器不是一個放大器，需要利用盆子態的糾纏與交換來實現量子中繼功能。

量子糾纏

量子通信中的信息載體一童子信號具有量子特性，傳輸和最終檢測的核心部分不是能量而是信號的某種量子狀態。研究表明，量子信號的狀態同時受到經典噪聲和量子嗓聲的影響，這些噪聲會導致量子比特的退相千現象發生，從而導致信息丟失，使得量子通信不能正常進行。另一方面，經典噪聲使得t 子信號的傳輸特性不斷衰減，導致量子信號不斷變弱，最終難以檢測。

因此，量子中繼應該具有兩個方面的功能：

1、通過補充量子信號的能量實現量子信號的穩定傳輸

2、在補充量子信號能量的同時,，保證量子信號攜帶的量子比特不發生改變

工作原理

對於使用糾纏源的量子通信系統來說，首先藉助量子中繼技術建立起一個長距離的量子信道,在此基礎上，利用所建立的量子信道的量子特性實現安全的量子信號傳輸。

量子中繼器原理示意圖

因此, 在這種通信模式中，不會由於量子中繼的加入而導致量子通信中信息的丟失。不過，這種通信模式的重要前提條件是，量子中繼不會導致量子信道原有特性的改變。例如，若採用量子中繼技術，量子通信協定中糾纏光子對的最大糾纏性不能發生改變。

根據上述特徵，這種通信模式下的量子中繼技術必須發揮兩個方面的作用：

一是補充信號的能量

二是維持量子信道的原有特性

大多數物理學家提出的量子中繼器方案中含有CONT，運算，但當前還沒有實現能夠達到誤差不超過百分之幾的能用於長距離量子信道的CONT運算。

糾纏交換原理示意圖

因此, 採用只利用線性光學器件的方案，以糾纏光子對作為量子信息的傳送通道，採用量子中繼器的目的是增加高品質糾纏光子對的作用距離。通過對短程糾纏光子對進行糾纏純化和糾纏交換，得到高糾纏度的長程糾纏光子對。從而建立起長距離的量子信道。