CN102498496A - 混合超导体-光量子中继器 - Google Patents

混合超导体-光量子中继器 Download PDF

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Abstract

提供一种混合超导体-光量子中继器。所述混合超导体-光量子中继器包括被配置成经由光学通道接收光学信号的光学子系统和与光学子系统耦接的超导体子系统。光学子系统和超导体子系统经由微波传输介质相互耦接。光学子系统被配置成经由光学通道接收光学信号，并把光学信号的光子下变频成微波输出信号中的微波光子，所述微波输出信号经由微波传输介质被输出给超导体子系统。超导体子系统保存微波光子的量子态，并沿着离开超导体子系统的输出通道传送所述微波光子。

Description

混合超导体-光量子中继器
技术领域
本申请一般涉及改进的数据处理装置和方法，更具体地说，涉及混合超导体-光量子中继器机构、采用这种混合超导体-光量子中继器机构的装置/系统、以及实现和利用这种混合超导体-光量子中继器机构的方法。
背景技术
量子计算机是一种根据亚原子级粒子的行为来进行计算的计算设备。就量子计算机来说，数据单元，即，量子位或者说“qubit”能够同时存在不止一种状态，从而允许量子计算机具有彼此独立存在的多条“思路”，即使它们都与同一组粒子相关联。这样，量子计算机能够有潜力实现每秒数百万条指令(MIPS)，高于已知的非量子计算系统。
量子位是二进制数字或者比特，与经典计算机的类似，但是能够同时具有多个值。实质上，量子位可被看作具有多维的粒子，每一维可具有或高或低的状态，例如，逻辑1或逻辑0状态。从而，两个量子位可具有4个同时并且独立的状态(00，01，10和11)。
在分布式量子计算环境中，在远程位置之间传送量子位数据的能力是一个重要因素。就这样的分布式系统来说，可通过光导纤维或其它介质来传输光子，以把量子信息从一个量子计算机传送到另一个量子计算机。然而，这种传输通常经受信号损失和相干性损失。例如，如在Munro等人的“Quantum Repeater”，WO 2007/021945A2(申请日2006年8月11日)中所述，当沿着普通光纤传输10km时，光学信号受到1.9dB的损耗，使得单个光子的丢失概率可能为50％。
关于重复或冗余量子状态的损失和退相干效应能够产生有噪声的纠缠状态，该状态可在有限距离内可靠地传送量子信息，但较大距离的传输一般需要量子中继器。
量子中继器是一种公知的设备(参见Duan等人的“Long-DistanceQuantum Communication with Atomic Ensembles and LinearOptics”，Nature 414，413-418(2001))，它允许通过纠错，把沿着有噪声的通道传输的量子位(被认为呈光子的形式)大部分恢复到它们的原始传输量子状态。中继器一般被预想成通过把光子变换成另一种基于物质的形态而使光子暂停来实现这一点(参见Pellizzari等人的“Decoherence Continuous Observation，and Quantum Computing：ACavity QED Model”，Phys.Rev.Lett.75，3788(1995))，所述另一种基于物质的形态构成量子存储器(在目前的实验提议中，涉及捕获离子(参见Moehring等人的“Entanglement of Single-Atom Quantum Bitsat a Distance”，Nature 449，68-71(2007年9月6日))，或者半导体量子点(van Loock等人的“Hybrid Quantum Repeater Using BrightCoherent Light”，Phys.Rev.Lett.96，240501(2006))。
在存储器中时，这些量子位经受一些量子逻辑运算，所述量子逻辑运算用于进行各种已知的量子奇偶校验，所述量子奇偶校验允许检测和校正差错的出现。在这些校正步骤之后，恢复的量子状态再次经受实施例的变换，以及量子信息在另一个通道上前进。输入通道或输出通道可以是隐形传态通道，这意味着光子在与通过应用Bell式量子测量而传送的量子信息的方向相反的方向上行进，之后是沿着正向方向的经典信息的传输。
量子中继器是量子信息处理系统中的关键元件。它的预想应用是：(1)它可被用于提高距离和安全量子密码术能够按其工作的密钥生成速率；(2)它能够为其它加密任务，包括秘密共享、量子数据隐藏、量子解锁和量子数字签名提供可靠的长距离量子通信；(3)它能够实现可利用量子传输高效进行的其它长距离通信任务，包括远程存储器分配(取样复杂性)和远程约定调度；和(4)量子中继器可被用于分配任何形式的量子计算，使得例如可通过互联每个包含比方说105量子位的小型处理器的网络，来完成需要109纠缠量子位的素数分解问题。
目的在于获得量子中继器的许多以前的研究专注于具有也被光学处理的固定量子位的系统。(在Pellizzari等人的文献中说明的)初期理论工作预想使传送的光子进入光学腔，并使之与捕获的离子或原子相互作用。后续工作将此扩大到包括捕获的原子云(参见可在http://arxiv.org/PS cache/Iarxiv/pdf/0802/0802.1475v1.pdf获得的Sangouard等人的“Robust and Efficient Quantum Repeaters withAtomic Ensemblcs and Linear Optics”)，以及光学寻址的量子点(参见van Loock等人的文献)。在该工作中未设想超导量子位的使用。在超导量子位的领域，设想了到GHz频率范围内的光量子的互变(参见Majer等人的“Coupling Superconducting Qubits via a Cavity Bus”，Nature 449，443-447(2007年9月27日)，然而这些工作都没有设想具有到红外或可见光频率的互变的超导量子位。
发明内容
在一个例证实施例中，提供了一种混合超导体-光量子中继器。所述混合超导体-光量子中继器包含被配置成经由光学通道来接收光学信号的光学子系统和与光学子系统耦接的超导体子系统。光学子系统和超导体子系统经由微波传输介质相互耦接。光学子系统被配置成经由光学通道来接收光学信号，并把光学信号的光子下变频成微波输出信号中的微波光子，所述微波输出信号经由微波传输介质被输出给超导体子系统。超导体子系统保存微波光子的量子态，并沿着离开超导体子系统的输出通道传送所述微波光子。
在另一个例证实施例中，提供了一种混合超导体-光量子中继器中的用于在量子计算机子系统之间传送量子位的方法。所述方法包括在混合超导体-光量子中继器的光学子系统中接收来自第一量子计算机子系统的光学输入信号。所述方法还包括把光学输入信号下变频成微波信号，从而把光学输入信号的光学波长光子映射成微波信号的微波波长光子。此外，所述方法包括把微波信号输入混合超导体-光量子中继器的超导体子系统。此外，所述方法包括把微波波长光子的量子态保存在超导体子系统中。另外，所述方法包括沿着离开超导体子系统的输出通道传送微波波长光子。
在另一个例证实施例中，提供一种系统，所述系统包含量子计算机子系统、耦接到量子计算机子系统的混合超导体-光量子中继器、和耦接到混合超导体-光量子中继器的干涉仪子系统。所述混合超导体-光量子中继器包含被配置成经由光学通道接收光学信号的光学子系统和与光学子系统耦接的超导体子系统。光学子系统和超导体子系统经由微波传输介质相互耦接。光学子系统被配置成经由光学通道接收光学信号，并把光学信号的光子下变频成微波输出信号中的微波光子，所述微波输出信号经由微波传输介质被输出给超导体子系统。超导体子系统保存微波光子的量子态，并沿着离开超导体子系统的输出通道传送所述微波光子。
本发明的这些和其它特征和优点将在本发明的例证实施例的以下详细说明中描述，或者鉴于本发明的例证实施例的以下详细说明，对本领域的普通技术人员来说将变得明显。
附图说明
结合附图，参考例证实施例的以下详细说明，将最好地理解本发明，及其优选应用方式和另外的目的和优点，其中：
图1是利用例证实施例的混合超导体-光量子中继器机构的量子计算系统的例证图；
图2是按照一个例证实施例的混合超导体-光量子中继器机构的例证方框图；
图3是按照一个例证实施例，示出另外的细节的混合超导体-光量子中继器的另一个方框图；
图4是概述按照一个例证实施例，当按时间反转操作模式操作时，混合超导体-光量子中继器的例证操作的流程图；以及
图5是概述按照一个例证实施例，当按直接操作模式操作时，混合超导体-光量子中继器的例证操作的流程图。
具体实施方式
例证实施例提供一种用于提供混合超导体-光量子中继器的机构。例证实施例的混合超导体-光量子中继器进行工作，从而在相隔较大距离的多个站，即，超导计算系统产生量子态的纠缠。此外，例证实施例的混合超导体-光量子中继器可操作以提供具有到红外或可见光频率的变换，并且反之亦然的超导量子位(或光子)。从而，尽管诸如在Munro等人的PCT申请No.WO 2007/021945A2中描述的量子中继器可能在本领域中已为人们所知，诸如这里说明的进行光和超导量子位(或光子)的互变的混合超导体-光量子中继器目前并不为人们所知。
图1是利用例证实施例的混合超导体-光量子中继器机构的分布式量子计算系统，或者量子通信系统的例证图。如图1中所示，分布式量子计算系统包含多个量子计算机子系统110和150。量子计算机子系统110和150是涉及超导器件的电路的超导结构。超导器件的这些电路包含Josephson结，Josephson结能够把接收的光量子位移到电路中，使之与其它Josehpson节量子位纠缠，进行量子算法，对这些量子位进行量子测量，和利用这些测量的结果来影响该子系统或者其它远程子系统中的后续量子运算。在D.P.DiVincenzo的“The PhysicalImplementation of Quantum Computation”(Fortschritte der Physik48，771-784(2000)，可从arxiv.org：quant-ph/0002077获得)中描述了可以用作量子计算机子系统110和150中的一个或多个的这种量子计算机子系统的例子，该文献在此通过引用而并入。
在量子计算机子系统110和150之间设置了用干涉仪子系统130隔开的一对混合超导体-光量子中继器120和140。经由混合超导体-光量子中继器120和140以及干涉仪子系统130，在量子计算机子系统110和150之间形成双向通信通道。每个混合超导体-光量子中继器120直接地或者通过干涉仪子系统130和另一个混合超导体-光量子中继器140间接地耦接到上游和下游量子计算机子系统。混合超导体-光量子中继器120和140的细节将在后面提供。干涉仪子系统130作用于光学信号，并允许由两个不同的混合超导体-光量子中继器产生的两个光子的纠缠的形成。干涉仪子系统130还进行光子测量，所述光子测量将被传送给量子计算机子系统110和150，并被量子计算机子系统110和150用于确定是否形成了正确的纠缠，或者是否需要重传量子位编码光子。
混合超导体-光量子中继器120和140都具有两个子系统，即光学子系统122、142和超导子系统124、144。在一个流动方向上，光学子系统122、142接收具有量子位编码光子的光学输入信号，并把这些光学输入信号光子(光学光子)下变频成微波波长信号光子(微波光子)，所述微波波长信号光子被输入到超导子系统122、124。在超导子系统124、144中，在光子上编码的量子位被保存在量子位存储器件中。超导子系统124、144通过量子位存储器件与传输介质的电容耦合，利用保存的量子位来编码微波光子，然后输出微波光子，以便传播给量子计算机子系统。
在第二个流动方向上，超导子系统124、144接收利用量子位编码的微波光子。量子位被保存在量子位存储器件中，并被用于生成输出微波光子，所述输出微波光子经由微波信号被传送给光学子系统122、142。光学子系统122、142随后把微波光子上变频成光学光子，并把光学光子输出给沿着量子通信通道的下一站，例如，光学干涉仪130。应理解，光学干涉仪130接收来自上游站和下游站，即，来自混合超导体-光量子中继器120和140两者的光子，并且这些光子被结合，从而生成一对纠缠的光子。相同频率的两个光子同时到达分束器的相对侧足以使它们纠缠。这被称为Hong-Ou-Mandel干涉测量法，并在C.K.Hong，Z.Y.Ou和L.Mandel的“Measurement ofSub-Picosecond Time Intervals Between Two Photons byInterference”(Phys.Rev.Lett.59，2044-2046(1987))中进行了说明。注意，量子计算机110产生的每对纠缠光子的一半在第一流动方向上(朝向混合超导体-光量子中继器160)传送，而每对纠缠的光子的另一半在第二流动方向上(朝向混合超导体-光量子中继器120)传送。
光学干涉仪130可按照与在这里通过引用而并入的PCT申请WO 2007/021945A2的图5B中的测量站类似的方式工作，来确定是否发生了光学光子的适当纠缠。如果未发生光学光子的适当纠缠，那么可把该信息回送给混合超导体，所述混合超导体随后可以重传在光学光子上编码的量子位。否则，可以通知成功的纠缠，从而不进行重传。
从而，重新参看图1，在所谓的“时间反转”操作模式期间，沿着光子通信通道的每个量子计算机子系统110和150比如通过利用量子门或者受控NOT(CNOT)来生成一对纠缠的量子位，量子门或者受控NOT是量子计算中的常规布尔逻辑门。这些量子计算子系统110和150把这些量子位作为微波光子放入超导谐振器中，所述超导谐振器把量子位状态保存在量子位存储器件中。此时，在进行简单的差错校验以确认谐振器中的光子的存在时，可能存在短暂的延迟。另一方面，这些光子可被直接馈送给下一步。注意，量子计算机子系统110和150都链接到上游和下游混合超导体-光量子中继器两者，例如，量子计算机子系统110连接到上游混合超导体-光量子中继器160和下游混合超导体-光量子中继器120，而量子计算机子系统150连接到上游混合超导体-光量子中继器140和下游混合超导体-光量子中继器170。应注意，在这一连串的量子中继器和量子计算机子系统中，存在只连接到单个上游或下游混合超导体-光量子中继器的源点光子计算机子系统和终点量子计算机子系统。
量子计算机子系统110和150产生纠缠对，并把这些纠缠对的两半作为微波光子同时传送给两个混合超导体-光量子中继器，例如，量子计算系统110把纠缠对的两半传送给混合超导体-光量子中继器160和120。在混合超导体-光量子中继器的超导体子系统，例如，混合超导体-光量子中继器120中的超导体子系统124中接收微波光子。光子的量子位状态在被传送给混合超导体-光量子中继器的光学子系统之前，被保存在混合超导体-光量子中继器的超导谐振器的量子位存储器件中。
在下一个操作中，关注纠缠对的两半中的仅仅一个(该操作是沿着构成量子通信通道的整个一连串组件同步地进行的)，超导体子系统的超导谐振器把微波信号沿着微波传输介质，比如沿着同轴电缆，传送给光学子系统，例如，混合超导体-光量子中继器120的光学子系统122。光学子系统122混合所述微波信号和“本地振荡器”红外信号，在一个例证实施例中，所述“本地振荡器”红外信号是可在量子通信通道上的所有点获得的较强参考激光束，从而把微波光子上变频成红外波长光子。红外波长光子随后被传送给干涉仪子系统，比如干涉仪子系统130。
在干涉仪子系统130处，两个红外光子(一个来自上游混合超导体-光量子中继器，一个来自下游混合超导体-光量子中继器)在干涉仪子系统130的反射镜处同时相遇。如果这两个光子的测量确认已发生所述相遇，即，反射镜处的同时相遇，那么在后面保留在上游和下游量子计算设备中的量子位存储器件中的量子位之间，已成功产生了纠缠。如果检测到失败，那么重复整个操作。这些基本操作的进一步重复导致量子计算机存储器中的纠缠量子位的供给，将利用纠缠净化和纠缠交换进一步处理所述纠缠量子位，直到在链路中的第一个和最后一个量子计算设备或者子系统之间存在纠缠的量子位。借助该资源，能够实现诸如量子密码术、量子秘密共享和安全远程量子通信的应用。
在第二种操作模式(所谓的“直接”操作模式)下，按照相反顺序来进行上面所述的一系列操作，其中混合超导体-光量子中继器的输入端接收具有编码光子的光学信号，并把输入光学信号的波长下变频成微波波长。即，混合超导体-光量子中继器的光学子系统122接收光学信号，比如具有红外光子的红外信号，并且反混合所述光学信号，以把光学信号从可见光波长，例如红外波长下变频成微波波长信号和微波光子。所述微波光子经由微波传输介质，比如同轴电缆被传送给混合超导体-光量子中继器的超导体子系统124，该超导体子系统把微波光子的量子位状态保存在超导体子系统124的量子位存储器件中。微波信号和微波光子随后被输出给沿着量子通信通道的下一站，例如，量子计算机子系统110等。
在一个例证实施例中，光学信号具有包含光子或量子位的约200太赫兹的电信频率，并具有在约6吉赫兹的微波频带中的波长的第二频率。光学信号被输入例证实施例的混合超导体-光量子中继器的光学子系统122中，光学子系统122具有把初始的200太赫兹信号的光子/量子位的状态/属性映射成微波频带波长信号中的光子的混合区。具有映射的光子/量子位状态/属性的微波频带波长信号被传送给超导体子系统124，超导体子系统124支持在输入的波长频带波长信号的频率下的电振动，使得它把光子/量子位状态/属性保存在量子存储器件中，即，超导体子系统保持被映射成微波波长信号光子的量子位的量子态信息。例如，量子位存储器件把微波频带波长信号的微波光子以电能的形式保持在高品质因数传输线谐振器中。
从而，例证实施例的混合超导体-光量子中继器把光的单个量子脉冲中的输入辐射量子从光学频率范围，即红外频率转换到微波频率范围，反之亦然。此外，混合超导体-光量子中继器是超导的，因为光学系统馈送到超导子系统，该超导子系统保存从光学子系统获得的已从红外频率范围降频变换到微波频率范围的量子信息。在相反的操作中，混合超导体把从超导子系统获得的量子信息从微波频率升频变换到红外频率范围。混合超导体-光量子中继器可沿着到顺着从源量子计算机子系统到目的地量子计算机子系统的量子通信通道的下一站的输出，使所述量子信息延续下去。
图2是按照一个例证实施例的混合超导体-光量子中继器的例证方框图。就例证实施例的混合超导体-光量子中继器200来说，设置两个子系统210和250。首先，设置光学子系统210，光学子系统210作用于光波长范围内的输入信号，以把这些光波长输入信号下变频成微波波长信号，以及作用于输入的微波波长信号，以把这些信号上变频成光波长输出信号。在一个例证实施例中，光学子系统210以红外频率工作。
光学子系统210包括一体的纳米线波导212，纳米线波导212用于经由传输介质214(比如光纤)耦接来自外界，即，经由另一个混合超导体-光量子中继器、干涉仪子系统等来自上游的量子计算机子系统的电信波长红外光，比如200太赫兹波长范围内的红外信号。在波导212上方放置天线臂结构216，天线臂结构216向纳米尺度的隧道结218馈送红外频率电场。隧道结218具有非线性电流-电压(I-V)特性。在目前的实践中，这种非线性允许在一个例证实施例中，约1.6μm波长(约200THz频率)的光功率按照以下定律被转换成DC电流源：
I(ω＝0)＝ηE(ωopt)E*(ωopt)(1)
其中I是电流，η是效率系数，ω＝0指示作为电流源的输出处于DC，ωopt是输入光学信号的频率，E是隧道结处的电场。观察到该有效电流源伴随有100Ω的源阻抗。观察到效率系数η约为量子极限(即，在这种光学系统中，原则上能够产生的电流的最大量)的6％。即，该η值使得每单位时间一个光子的光能产生每单位时间0.06个电子的电流。模型化指出该效率可增长到约为量子极限的50％。
其次，参见图2，超导子系统250耦接到光学子系统210。在一个例证实施例中，超导子系统250以约几GHz，例如，小于10GHz的工作频率作用于信号。就例证实施例来说，光学操作模式修改自现有技术，使得引入两个光场，而不是一个光场。这些光场之一是来自上游红外系统(例如，干涉仪)的信号光子。另一个光场是“本地振荡器”，从公共位置在相同光纤上传送的强激光束。信号光子的频率和本地振荡器的频率不同，使得通过光场的非线性交互作用而产生的电流源处于有限频率：
I(Δω)＝ηE(ωopt)E*(ωopt+Δω)(2)
在一个例证实施例中，Δω约为6GHz，与超导子系统250的特征频率匹配。处于ωopt的光场作为强参考振荡器(本地振荡器)，而处于ωopt+Δω的光场是将在通信通道214上运送量子信息或加密信息的弱场或者少量光子场。即，当在非线性隧道结218发生下变频时，在红外光子中运送的量子信息被转换成由微波光子运送的量子信息。正是所述微波光子沿着接合线向上传播，从而到达超导体子系统250。
光学子系统210由包含附加有超导Josephson量子位存储器件的超导传输线谐振器252的直接电连接接合。超声传输线谐振器252频率为Δω。从而，接合的一对子系统210和250的作用是借助参考振荡器ωopt的外差作用把频率为ωopt+Δω的光学光子映射成频率为Δω的微波谐振器光子。远低于效率的量子极限的映射效率是可接受的；在这种情况下，量子效率1将对应于每个红外信号光子正好生成一个微波光子。如果没有正确地发生光子映射，那么另一个量子计算机子系统会立刻检测到光子的不存在。当另一个量子计算机子系统注意到光子的不存在时，可重新尝试传输光子。
例如，对混合超导体-光量子中继器的“直接”操作模式来说，即，在其中混合超导体-光量子中继器的输入是由上面的等式(2)决定的被下变频到微波波长的光学信号的操作模式下，首先讨论经典物理学的定律起作用的情况。假定存在稳定信号E(ωopt)。随后在某一时间间隔ΔT内，功率存在于旁带频率ωopt+Δω。在该时间间隔内，光学子系统210作用就像电流源I，如在等式(2)中那样，以频率Δω驱动超导子系统250。当Δω被假定为超导传输线谐振器252的谐振频率时，将因该激发而使所述超导传输线谐振器252“起荡(ring up)”。在该脉冲结束之后，在频率Δω下，按照该模式，将使谐振器252保持具有一定能量的状态。在光能的有或没有指示位状态0或1的经典信号传输中，该位状态现在将被保存在谐振器的能态中，所述能态可进一步经受纠错协议以实现经典信号的中继器功能。
现在用量子力学语言来说，场E(ωopt+Δω)必须被看作量子算符。该算符的统计特性指示该频率的红外光的量子态，即，它可用某种方式被压缩，或者它可由离散的能量包(“光子”)组成。因此，电流源的作用也是量子力学的，并且将按照反映红外光的量子统计的方式来驱动超导子系统250的超导传输线谐振器252。因此，在理想的操作中，红外光束中的单个光子将作为单个光子沉积在超导传输线谐振器252中。
在第二种操作模式，即，“时间反转”操作模式下，微波光子被映射成输出红外光子。在由量子计算机子系统的整体计时确定的时间，微波光子被该量子计算机放到混合中继器的超导谐振器上，从而临时地保存它。借助该谐振器的“衰荡”，该辐射量子的微波频率电场撞击非线性隧道结器件。非线性隧道结器件按照类似于等式(2)的以下等式，混合微波场和本振场：
I(ωopt+Δω)＝ηE(ωopt)E*(Δω)(3)
从而是在上变频的红外频率ωopt+Δω产生的电流。该电流是量子力学算符，反映初始微波辐射量子的所有量子统计。该电流是辐射场的来源；这样产生的辐射离开混合中继器，到达链路中的下一个组件(即，干涉仪系统)。在干涉仪同时相遇的两个这样的红外光子导致上游和下游量子计算机之间的纠缠的产生。
图3是按照一个例证实施例，示出另外的细节的混合超导体-光量子中继器的另一个方框图。如前所述，并且在图3中再次所示，混合超导体-光量子中继器包括光学子系统310和超导体子系统320。光学子系统310具有光通信通道312，光通信通道312包含例如耦接到作用区(也称为混合区314)的光纤。如前所述，混合区314可以包含图2中的纳米线波导212、天线臂结构216和纳米尺度隧道结218。
混合区314把光波长信号，比如红外波长信号下变频成微波波长信号，或者把微波波长信号上变频成光波长信号。例如，混合区314可经由光通信通道312，接收具有波长不同的两个重叠信号的光学输入。第一波长信号可以是具有在频谱的可见光范围内的波长，例如，与200太赫兹对应的红外波长的光学信号。第二波长信号可以是从第一波长信号移动6吉赫兹的另一个红外信号。混合区314把第一波长信号中的光子映射成不同波长信号中的光子，然后把第二波长信号光子输出给超导体子系统320。另一方面，混合区314可把来自超导体子系统320的输入微波光子映射到比如可由本地振荡器IR源316，例如激光器等供给的红外信号的光子，然后经由光通信通道312输出红外信号。混合区被保持在低温下，使得只有少量的热生成微波光子进入系统。然而，混合区中的温度可高于“混合室”温度，即，大约30°毫开(mK)，并可以高达大约4°开(K)。
经由微波传输介质330在光学子系统310和超导体子系统320之间传送微波信号，在一个例证实施例中，所述微波传输介质330是半刚性的超小型A类(SMA)电缆，比如同轴电缆。微波传输介质330耦接混合区314和超导体谐振器322，超导体谐振器322具有与贯穿超导体子系统320的微波传输介质332电容耦接的量子位存储器件324。微波传输介质332耦接到输出微波传输介质334，输出微波传输介质334能够向量子计算机子系统等输出微波信号。借助冷却板，超导体子系统320被保持在低于氦的沸点，即低于4°K的温度；或者在稀释制冷机的混合室中实现的30°mK的温度是期望的。这些低工作温度降低了物体在室温下发出的随机辐射的影响。在一个例证实施例中，使超导体子系统320大约保持在4°K，或者保持在30°mK。
图4是概述按照一个例证实施例，当按时间反转操作模式操作时，混合超导体-光量子中继器的例证操作的流程图。图5是概述按照一个例证实施例，当按直接操作模式操作时，混合超导体-光量子中继器的例证操作的流程图。图4和5中所述的并不归因于量子通信通道的其它元件的操作可由上面的图1-3的混合超导体-光量子中继器进行。
如图4中所示，所述操作始于量子计算机子系统生成纠缠量子位(步骤410)，并把所述量子位作为微波光子放入超导谐振器，所述超导谐振器把量子位状态保存在量子位存储器件中(步骤415)。进行简单的差错校验，以确认谐振器中的光子的存在(步骤420)。另一方面，这些光子可被直接馈送给下一个操作。量子计算机子系统把这些纠缠量子位作为微波光子同时传送给与之耦接的两个混合超导体-光量子中继器(步骤425)。在混合超导体-光量子中继器的超导体子系统中接收微波光子(步骤430)。光子的量子位状态在被向前传送给混合超导体-光量子中继器的光学子系统之前，被保存在混合超导体-光量子中继器的超导谐振器的量子位存储器件中(步骤435)。
超导体子系统的超导谐振器把微波信号沿着微波传输介质传送给混合超导体-光量子中继器的光学子系统(步骤440)。光学子系统混合微波信号和“本地振荡器”红外信号，从而把微波光子上变频成红外波长光子(步骤445)。红外波长光子随后被传送给干涉仪子系统(步骤450)。
在干涉仪子系统，两个红外光子(一个来自于上游的混合超导体-光量子中继器，一个来自于下游的混合超导体-光量子中继器)在干涉仪子系统的反射镜处同时相遇(步骤455)。如果这两个光子的测量确认已发生所述相遇(步骤460)，那么在量子位之间已成功生成纠缠，从而干涉仪子系统向量子计算子系统返回指示量子位的成功纠缠的消息，从而不需要重传量子位(步骤465)。如果检测到失败，那么干涉仪子系统返回指示所述失败的消息，并开始重复上述操作，以重传量子位(步骤470)。
现在参见图5，就“直接”操作模式来说，混合超导体-光量子中继器的光学子系统经由光通信通道(比如光纤)接收光学信号，比如具有红外光子的红外信号(步骤510)。光学子系统反混合光学信号，以把光学信号从可见光波长下变频成微波波长信号，从而把红外光子映射成微波光子(步骤520)。所述微波光子经由微波传输介质被传送给混合超导体-光量子中继器的超导体子系统(步骤530)。超导体子系统把微波光子的量子位状态保存在超导体子系统的超导谐振器的量子位存储器件中(步骤540)。微波信号、微波光子随后被输出给沿着量子通信通道的下一站，例如，量子计算机子系统等(步骤550)。
出于举例说明的目的，提供了本发明的以上说明。上述说明不是穷尽的，也不意图把本发明局限于公开的形式。对本领域的技术人员来说，许多修改和变化是显而易见的。选择和说明实施例是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，和使本领域的其他技术人员能够理解本发明的具有适合于预期的特定应用的各种修改的各个实施例。

Claims (15)

1.一种混合超导体-光量子中继器，包括：
被配置成经由光学通道接收光学信号的光学子系统；和
与光学子系统耦接的超导体子系统，其中，所述光学子系统和超导体子系统经由微波传输介质相互耦接，其中：
所述光学子系统被配置成经由光学通道接收光学信号，并把光学信号的光子下变频成微波输出信号中的微波光子，所述微波输出信号经由所述微波传输介质被输出给所述超导体子系统，以及
所述超导体子系统保存微波光子的量子态，并沿着离开所述超导体子系统的输出通道传送所述微波光子。
2.按照权利要求1所述的混合超导体-光量子中继器，其中，所述光学信号包含具有红外波长的第一信号和具有从第一信号偏移对应于微波波长的量的红外波长的第二信号。
3.按照权利要求1或2所述的混合超导体-光量子中继器，其中，所述光学子系统包括与光学通道耦接的电子器件，所述电子器件具有非线性电流-电压特性，并且其中，所述电子器件把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
4.按照权利要求3所述的混合超导体-光量子中继器，其中，所述电子器件包括：
纳米线波导；
放置在波导上方的天线臂结构；和
纳米尺度隧道结，其中，天线把光学信号的红外频率电场馈送给纳米尺度隧道结，所述纳米尺度隧道结把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
5.按照任意前述权利要求所述的混合超导体-光量子中继器，其中，所述超导体子系统包含具有Josephson量子位存储器件的超导传输线谐振器，以及其中，所述光学子系统通过电连接接合到超导体子系统的超导传输线谐振器。
6.按照任意前述权利要求所述的混合超导体-光量子中继器，其中：
所述超导体子系统被配置成接收微波输入信号，保存微波输入信号的微波光子的量子态，以及沿着到光学子系统的输出通道在输出微波信号中传送微波光子；和
所述光学子系统被配置成接收输出微波信号，把输出微波信号的微波光子上变频成红外光子，并在经由光学通道输出的输出红外信号中输出所述红外光子。
7.一种混合超导体-光量子中继器中的用于在量子计算机子系统之间传送量子位的方法，所述方法包括：
在混合超导体-光量子中继器的光学子系统中接收来自第一量子计算机子系统的光学输入信号；
把光学输入信号下变频成微波信号，从而把光学输入信号的光波长光子映射成微波信号的微波波长光子；
把微波信号输入混合超导体-光量子中继器的超导体子系统；
把微波波长光子的量子态保存在超导体子系统中；以及
沿着离开超导体子系统的输出通道传送微波波长光子。
8.按照权利要求7所述的方法，其中，所述光学信号包含具有红外波长的第一信号和具有从第一信号偏移对应于微波波长的量的红外波长的第二信号。
9.按照权利要求7或8所述的方法，其中，所述光学子系统包括与光学通道耦接的电子器件，所述电子器件具有非线性电流-电压特性，其中，下变频光学输入信号包括：所述电子器件把光功率转换成以微波频率工作的DC电流源。
10.按照权利要求9所述的方法，其中，所述电子器件包含：
纳米线波导；
放置在波导上方的天线臂结构；和
纳米尺度隧道结，其中，下变频光学输入信号包括：天线把光学信号的红外频率电场馈送给纳米尺度隧道结，所述纳米尺度隧道结把光功率转换成以微波频率工作的电流源。
11.按照权利要求7-10任意之一所述的方法，其中，所述超导体子系统包含具有Josephson量子位存储器件的超导传输线谐振器，以及其中，所述光学子系统通过电连接接合到超导体子系统的超导传输线谐振器。
12.按照权利要求7-11任意之一所述的方法，其中，所述超导体子系统：
接收微波输入信号，
保存微波输入信号的微波光子的量子态，以及
沿着到光学子系统的输出通道，在输出微波信号中传送微波光子，以及其中，所述光学子系统：
接收所述输出微波信号，
把输出微波信号的微波光子上变频成红外光子，以及
在经由光学通道输出的输出红外信号中输出所述红外光子。
13.一种系统，包括：
量子计算机子系统；
与所述量子计算机子系统耦接的按照权利要求1-6任意之一所述的混合超导体-光量子中继器；和
耦接到所述混合超导体-光量子中继器的干涉仪子系统。
14.按照权利要求13所述的系统，其中：
所述超导体子系统耦接到所述量子计算机子系统，所述光学子系统耦接到所述干涉仪子系统，
所述光学信号接收自所述干涉仪子系统，以及
所述微波光子是沿着从所述超导体子系统到所述量子计算机子系统的输出通道传送的。
15.按照权利要求14所述的系统，其中，所述量子计算机子系统耦接到第二混合超导体-光量子中继器的第二超导子系统，其中，所述第二混合超导体-光量子中继器的第二光学子系统耦接到第二干涉仪。
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