CN114640401A

CN114640401A - 一种量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法

Info

Publication number: CN114640401A
Application number: CN202210198799.4A
Authority: CN
Inventors: 李涛; 周辉
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2022-03-01
Filing date: 2022-03-01
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2042-03-01
Also published as: CN114640401B

Abstract

本发明公开了一种量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，包括：在N个远距离的节点中，首先利用一个单光子与前N‑1个节点内的静态量子比特依次作用，接着通过线性光学元件对其编码，将它的极化信息转化成时间延迟信息，形成光子状态与多个量子比特之间的杂化纠缠，然后在光子与第N个节点内的每个静态量子比特作用之前进行解码，使得光子每次与静态量子比特作用后都会形成一对纠缠态，最终通过对光子状态的测量实现量子网络中多对多体纠缠态的制备。本发明可以利用一个高维编码的单光子在远距离的N个节点之间实现多对多体纠缠态的高效制备，该方案极大减弱了光子在传输信道中的高损耗对制备效率的影响，同时减少了制备过程中所需的量子资源。

Description

一种量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法

技术领域

本发明属于量子信息领域，尤其涉及纠缠态的制备，特别是关于利用一个高维编码的单光子与多个静态量子比特作用实现非局域的多对多体纠缠态制备的方法。

背景技术

量子力学建立之初，人们就被量子纠缠奇特的性质所吸引。虽然人们无法解释量子力学中这一神秘的纠缠现象，但是并不妨碍人们对于量子纠缠的应用。量子纠缠作为量子力学中的一种非常重要的物理资源，在量子信息和量子计算等方面都起着至关重要的作用。理论上，量子器件的信息功能可以突破现有的信息技术的物理极限，这将是量子力学在未来信息领域能够飞速发展的基础。目前，根据制备所用的物理体系不同，量子纠缠态的制备方式主要分为原子系统、光学系统、离子阱、腔量子电动力学等。其中单边腔是一种具有高品质因子的光学微腔，利用低温下SiV色心的较长相干时间特点和其耦合的系统，可以进行量子纠缠态的制备与转化。因此，基于SiV色心和单边腔的耦合系统在量子信息处理、量子密钥分发等领域均有众多应用。

在大多数纠缠态的制备方案中，都是利用辅助单光子作为媒介在通信双方之间通过一个有损耗的通道来产生纠缠。为了纠缠远距离的两个节点上的量子比特，首先一个单光子要与其中一个节点上的量子比特实现纠缠，然后这个单光子要么跟另一个节点内的量子比特实现纠缠的单光子相互作用，要么直接与另一个节点作用，从而在两个远距离的节点之间产生纠缠。然而，当光子在两个节点之间传输时，它的传输效率会随着节点之间的距离的增加而呈现指数级的降低，这极大影响着纠缠产生的效率，从而限制了它在量子网络中广泛的实际应用。而在某些系统中需要同时制备多对纠缠态，例如，传统的纠缠纯化协议和量子中继器等。为了在多个节点之间制备多对纠缠态，传统的方法是发送多个独立的单光子，并利用一个光子产生一对纠缠，这意味着每个单光子都需要在这两个节点之间完成一次传输。由于信道传输的损耗随传输距离指数增加，使得对该种方法的纠缠制备效率的限制更加明显。

2010年，Togan等人实现了单个光子的偏振和与金刚石氮空位(NV)色心中单个电子自旋之间的量子纠缠。2013年，Bernien等人的NV色心实验实现了远距离的电子自旋之间的纠缠，这种纠缠可以与电子自旋初始化、读出和纠缠操作技术相结合，能在单次实验中以高保真度完成。然而，采集效率低意味着纠缠远程NV色心的成功率较小。将NV色心嵌入在空腔内是提高收集效率的传统方式，同时它也为使用条件透射和反射方法提供了可能性。这种基于NV色心的条件透射和反射方法已经被提出用于传统的测量设备无关的量子密钥分配(QKD)、量子网络和大规模量子计算机。此外，这些方法还提供了使单个光子与多个NV色心相互作用的可能性。

2019年，Piparo等人提出了一种仅利用一个携带了两个量子比特信息的光子依次与四个NV色心系统作用实现两对两体纠缠态制备的量子纠缠制备方案。该方案利用一个携带两个比特信息的光子的远距离传输代替两个单光子传输，从而提高了处于远距离节点之间两对纠缠态的制备效率。2020年，Piparo等人利用单光子多比特编码的量子纠错码来减少分布式量子信息处理过程中所需的资源。

发明内容

本发明的目的在于解决由于光子在传输信道中的高损耗对传统非局域多体纠缠态并行制备的限制，提供一种在远距离节点之间利用一个高维编码的单光子与多个静态量子比特作用实现高效率制备多体纠缠态的方案。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，一个状态为D₀的光子与第一个金刚石硅空位(SiV)色心s_0,1作用，并进入光路系统TBEk₁进行编码；

步骤2，按照步骤1的方式，所述光子依次与前N-1个节点内的金刚石硅空位(SiV)色心作用并编码，直至光子与第(N-2)M+M个金刚石硅空位(SiV)色心s_N-2,M作用，完成整个编码过程，实现不同光子状态与多个电子自旋状态的杂化纠缠；其中N表示节点数，M表示每一个节点中的金刚石硅空位(SiV)色心数；

步骤3，光子进入AA光路系统，实现不同时间延迟的A极化光子之间的纠缠互换，并与第(N-1)M+1个金刚石硅空位(SiV)色心s_N-1,1作用，制备第一对纠缠态；

步骤4，光子进入AD光路系统，实现不同时间延迟的D极化光子与A极化光子间的纠缠互换，并与第(N-1)M+2个金刚石硅空位(SiV)色心s_N-1,2作用，制备第二对纠缠态；

步骤5，按照步骤4的方式，光子通过解码依次与第N个节点内的金刚石硅空位(SiV)色心作用，与步骤4共制备M对纠缠态；

步骤6，在光子与第(N-1)M+M个金刚石硅空位(SiV)色心s_N-1,M作用后，测量光子状态，判断纠缠态。

进一步地，步骤1中光子与色心s_0,1的作用是：当电子自旋状态为|g>时，光子状态不变，电子自旋状态为|e>时，光子的极化状态翻转。

进一步地，步骤1中所述光路系统TBEk₁为：利用极化分束器将两种极化状态的光子分束，利用半波片对A极化光子进行翻转，并添加k₁个时间延迟，不同时间延迟的光子最终经光学开关进入同一个空间模式。

进一步地，步骤3中所述AA光路系统和步骤4中所述AD光路系统为：利用光学元件让两个特定时间延迟的相同即AA或不同即AD极化状态的光子实现它们与多个电子自旋状态的纠缠互换。

进一步地，步骤6中测量光子状态，判断纠缠态为：通过光子的时间延迟以及极化状态判断所制备的M对纠缠态，具体地：通过该光子状态的时间延迟与解码时每次和它互换关联性时的那个时间延迟数间的大小关系来判断对应的每一对纠缠态，而最后一对纠缠态通过光子的极化状态来判断。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)仅利用一个单光子即实现远距离节点之间多体纠缠态的并行制备，使得光子在传输信道中的高损耗对该方案的制备效率的限制呈指数级降低。同时，对单光子进行高维编码，节约了纠缠制备过程中所需的光子数、时间和空间等量子资源。

(2)与基于金刚石NV色心体系制备非局域多体纠缠态相比，SiV色心在低温环境下具有更长的相干时间，并且在零声子线下，光子与物质作用时，会更大概率以光子的形式辐射出来。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的一具体实施例。

图2为本发明对光子状态进行编码的光路图。

图3为本发明对光子状态进行AA关联性互换的光路图。

图4为本发明对光子状态进行AD关联性互换的光路图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

下面结合实施例对本发明提出的非局域多体纠缠态的并行制备方法进行具体介绍。

1.制备原理介绍

参考图1，为本发明的一具体实施例，图中包括：远距离的N个节点，分别为1,2,3,...,N。每一个节点内有M个与单边腔耦合的SiV色心系统，这个系统可以看成一个具有两个能级(|g>和|e>)的电子，即一个量子比特的量子存储器。假设第f(s_i,j)个量子存储器QMf(s_i,j)即第f(s_i,j)个金刚石色心内的电子自旋状态均被初始化为

的叠加态，f(s_i,j)＝iM+j(i＝0,1,...,N-1；j＝1,2,...,M)；参考图2，TBEk_m代表一个对光子状态进行编码的系统。PBS(polarizing beam-splitter)是极化分束器，透射极化状态为|D>的光子，反射极化状态为|A>的光子；HWP(half waveplate)是半波片；OS(optical switch)是光学开关；光子通过这个光路系统，可以将它的极化状态翻转，并添加特定时间延迟，即将其所携带的极化信息转化为时间延迟信息。AA光路系统，参考图3，它可以实现让不同时间延迟的两个A极化光子互换它们与多个SiV色心的杂化纠缠，从而实现解码过程，与下一个SiV色心作用后完成第一对纠缠态的制备。AD光路系统，参考图4，它可以实现让不同时间延迟的D极化光子和A极化光子互换它们与多个SiV色心的杂化纠缠，从而实现解码过程，与后续SiV色心作用后完成M-1对纠缠态的制备。具体实现步骤如下：

(1)初始状态为D₀的光子与第一个SiV色心系统s_0,1作用，并进入TBEk₁进行编码。其中，当s_0,1内的电子自旋状态为|g>时，光子的极化状态不变；当s_0,1内的电子自旋状态为|e>时，光子的极化状态翻转。当光子进入TBEk₁时，其A极化的光子状态会被翻转，同时加上若干时间延迟。由于要制备的是N方M对的纠缠态，所以每次编码所加的延迟数都是确定的；第m次编码所加的延迟数为k_m＝2^K-m，其中K＝(N-1)M-1是一共所需要进行的编码次数，m＝1,2,3,...,K。故第一次编码所加延迟数为k₁＝2^K-1，此时状态演化为：

式中，|g_0,1>和|e_0,1>分别表示s_0,1内的电子自旋状态分别为|g>和|e>，|D₀>表示时间延迟为0的D极化光子。

(2)重复编码过程，光子与第m个量子存储器QM作用，并通过TBEk_m进行编码。

当光子与m个QM作用，同时每次作用后都有一次编码过程。m次编码后，光子和m个SiV色心内的电子自旋状态为：

其中m＝f(s_i,j)，tk_m是光子的时间延迟数，t的大小所对应的二进制数可表示为

其中

的形式如下所示：

其中I_m＝|g>_m<g|+|e>_m<e|不对电子自旋状态进行作用，

可以翻转第m个QM内的电子自旋状态。当

时，第m个QM内的电子状态为|g>；当

时，第m个QM内的电子状态为|e>。同时，参考图1定义S⁽¹⁾,...,S^(k′),...,S^(M)，其内的所有电子自旋状态均为|g>，有：

其中k′＝M-k+1，k＝1,...,M。

(3)直到光子与s_N-2,M作用后，完成整个编码过程，实现不同光子状态与多个电子自旋状态的杂化纠缠。

当K次编码并与s_N-2,M作用后，光子与前N-1个节点内所有的电子自旋的状态演化为：

当k′＝1时，

当k′＝2,...,M时，

(4)光子进入AA光路，实现不同时间延迟的A极化光子间的纠缠互换，即解码过程。

设第一次与x互换关联性的时间延迟为x₁，关联互换后：

其中

(5)光子与s_N-1,1作用后，成功制备第一对纠缠态。

(6)光子进入AD₂光路系统，实现不同时间延迟的D极化光子与A极化光子间的纠缠互换，并与s_N-1,2作用，成功制备第二对纠缠态。

光子与s_N-1,2作用之前，先进入AD₂光路进行解码，与x互换关联性的时间延迟为x₂。此时与s_N-1,2作用即可得到第二对纠缠态：

其中

表示其中的电子自旋状态与|G_1,2>相反。并且：

同时，S^(k′)内的电子自旋状态

的形式如下：

其中，

k′＝2,...,M。

(7)类似于步骤(6)，直到光子与s_N-1,M作用后，成功制备第M对纠缠态。可以得到：

其中

(8)测量光子状态，判断纠缠态。

光子通过图1系统后，可以最终测量光子的状态，通过该光子状态的时间延迟与解码时每次和它互换关联性时的那个时间延迟数间的大小关系来判断对应的每一对纠缠态。而最后一对纠缠态则可以通过光子的极化状态来判断。所以可以通过最终测量的光子状态来判断所制备的纠缠态。

综上，本发明通过一个高维编码的单光子与NM个腔耦合的SiV色心系统依次作用，再利用一系列的光学元件进行编码和解码过程，最终实现非局域的M对N体纠缠态的高效率制备。该系统可以利用一个高维编码的单光子与多个量子比特作用实现量子网络中非局域多体纠缠态的并行制备。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims

1.一种量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，一个状态为D₀的光子与第一个金刚石硅空位即SiV色心s_0,1作用，并进入光路系统TBEk₁进行编码；

步骤2，按照步骤1的方式，所述光子依次与前N-1个节点内的金刚石SiV色心作用并编码，直至光子与第(N-2)M+M个金刚石SiV色心s_N-2,M作用，完成整个编码过程，实现不同光子状态与多个电子自旋状态的杂化纠缠；其中N表示节点数，M表示每一个节点中的金刚石SiV色心数；

步骤3，光子进入AA光路系统，实现不同时间延迟的A极化光子之间的纠缠互换，并与第(N-1)M+1个金刚石SiV色心s_N-1,1作用，制备第一对纠缠态；

步骤4，光子进入AD光路系统，实现不同时间延迟的D极化光子与A极化光子间的纠缠互换，并与第(N-1)M+2个金刚石SiV色心s_N-1,2作用，制备第二对纠缠态；

步骤5，按照步骤4的方式，光子通过解码依次与第N个节点内的金刚石SiV色心作用，与步骤4共制备M对纠缠态；

步骤6，在光子与第(N-1)M+M个金刚石SiV色心s_N-1,M作用后，测量光子状态，判断纠缠态。

2.根据权利要求1所述的量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，其特征在于，步骤1中光子与色心s_0,1的作用是：当电子自旋状态为|g>时，光子状态不变，电子自旋状态为|e>时，光子的极化状态翻转。

3.根据权利要求1所述的量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，其特征在于，步骤1中所述光路系统TBEk₁为：利用极化分束器将两种极化状态的光子分束，利用半波片对A极化光子进行翻转，并添加k₁个时间延迟，不同时间延迟的光子最终经光学开关进入同一个空间模式。

4.根据权利要求1所述的量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，其特征在于，步骤3中所述AA光路系统和步骤4中所述AD光路系统为：利用光学元件让两个特定时间延迟的相同即AA或不同即AD极化状态的光子实现它们与多个电子自旋状态的纠缠互换。

5.根据权利要求4所述的量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，其特征在于，所述AA光路系统包括两个光学开关OS，以及位于两开关之间的两条路径，每条路径上包括两个极化分束器PBS；所述PBS用于透射极化状态为D的光子，反射极化状态是A的光子；光子通过一个光学开关OS进入两条路径，第一条路径上，光子经该路径中的第一个PBS分束，D极化光子直接透射，并添加T个时间周期，A极化光子被反射，并添加T-|x₁-x|个时间延迟；第二条路径上，光子首先整体增加T个延迟，然后经该路径上第一个PBS分束，D极化光子直接透射，A极化光子被反射，并添加|x₁-x|个时间延迟；之后第一条路径上的第二个PBS将该路径透射的D极化光子和第二条路径上反射的A极化光子进行合束，第二条路径上的第二个PBS将该路径上透射的D极化光子和第一条路径上反射的A极化光子进行合束，最终所有时间延迟的光子经另一个光学开关OS进行合束并输出；其中x表示时间延迟，x₁表示第一次与x互换关联性的时间延迟。

6.根据权利要求1所述的量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，其特征在于，针对第k′次AD解码时的AD光路系统AD_k'，k′＝2,...,M，包括两个光学开关OS、一个半波片HWP以及位于两开关之间的两条路径，两条路径上分别包括两个极化分束器PBS′、两个极化分束器PBS；所述PBS'用于透射极化状态为A的光子，反射极化状态是D的光子；光子通过一个光学开关OS进入两条路径，第一条路径上，光子经该路径中的第一个PBS′分束，A极化光子直接透射，并添加T个时间周期，D极化光子被反射，并添加T-|x_k′-x|个时间延迟；第二条路径上，光子首先整体增加T个延迟，然后经该路径上第一个PBS分束，D极化光子直接透射，A极化光子被反射，通过HWP进行极化翻转，并添加|x_k'-x|个时间延迟；之后第一条路径上的第二个PBS′将该路径透射的A极化光子和第二条路径上反射的D极化光子进行合束，第二条路径上的第二个PBS将该路径上透射的D极化光子和第一条路径上反射的A极化光子进行合束，最终所有时间延迟的光子经另一个光学开关OS进行合束并输出；其中x表示时间延迟，x_k'表示第k′次与x互换关联性的时间延迟。

7.根据权利要求1所述的量子网络中非局域的多体纠缠态的并行制备方法，其特征在于，步骤6中测量光子状态，判断纠缠态为：通过光子的时间延迟以及极化状态判断所制备的M对纠缠态，具体地：通过该光子状态的时间延迟与解码时每次和它互换关联性时的那个时间延迟数间的大小关系来判断对应的每一对纠缠态，而最后一对纠缠态通过光子的极化状态来判断。