CN115276823A - 一种基于量子时空的高保真度纠缠链路生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于量子时空的高保真度纠缠链路生成方法，通信提供者将激光束指向非线性晶体后，可以概率性的迸发出光子束使其偏振处于纠缠状态，纠缠分发阶段中，纠缠光子通过遍历量子轨道，在第一通信节点和第二通信节点之间生成分布式纠缠光子态以构建基本纠缠链路。基于控制量子比特控制着通信节点间生成的分布式纠缠的状态，设定以τ为时间间隔持续从纠缠源经过量子轨道分发2m个纠缠光子后，要求第一通信节点或者第二通信节点对m个控制量子比特选择相同的测量基，使得两相邻节点拥有的2m个存储量子比特可以存储m个完全相同的分布式纠缠态。本发明实施例提供了在量子时空轨道下，由通信提供者制备纠缠源的高保真度基本纠缠链路生成方法。
Description
技术领域
本发明涉及量子网络通信技术领域，尤其涉及一种基于量子时空的高保真度纠缠链路生成方法。
背景技术
在标准的量子香农理论中，待传送的信息用量子比特来进行编码，而信息载体在信道中的传输模式依旧依赖于经典时空，鉴于信道一般由多种噪声过程组成，在经典时空中量子比特会沿着多种噪声过程的确定因果顺序进行传输，一般称为经典轨道，使得信息载体的量子相干性极大的受限于信道损耗。根据现有量子引力关于量子时空的提出，发现量子比特可以同时遍历以不同因果顺序出现的多种噪声过程，量子信道以这种不同因果顺序结构的量子叠加形式出现的一般称为量子轨道，利用该传输模式可以有效的增强经典信息和量子信息在信道中的传输能力。2020年M Caleffi等人初步研究了如何将该量子轨道应用于纠缠分发中，发现信息载体同时遍历不同因果顺序的多个噪声过程的动态演化可以转化为信息载体按某个概率遍历一个完美的无噪信道以及按其他概率遍历一个相比于经典时空传输轨道，噪声强度更低的噪声信道。由于不同通信网络场景需要采用不同的纠缠分发方案，该方法只考虑了利用通信节点来制备EPR纠缠源，在量子轨道中只分发一个纠缠粒子的情况，这还不足以证明量子轨道相比于经典轨道在纠缠分发中对提高信道性能具有绝对的优势。此外，由于在量子轨道下进行信息传输的研究还处在起步阶段，对于分发后在通信节点间生成的分布式纠缠如何存储和处理也是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有方法的不足，提供了一种在量子时空轨道下，由通信提供者制备纠缠源的高保真度基本纠缠链路生成方法。
本发明提供一种基于量子时空的高保真度纠缠链路生成方法，涉及的详细实施方法和步骤如下，包括：
S101，通信提供者将激光束指向非线性晶体，概率性的迸发出光子束使其偏振处于纠缠状态，在第一通信节点和第二通信节点之间通过设立通信提供者以制备偏振纠缠光子对；
S102，纠缠分发阶段中，通信提供者将该EPR纠缠源的第一个光子经过量子轨道发送给第一通信节点的同时，将第二个光子经过量子轨道发送给第二通信节点，将每个量子轨道用量子开关进行模拟；第一通信节点和第二通信节点之间的分布式纠缠光子态
可转化为以下形式：
其中，|Ψ1>AB是在第一通信节点A和第二通信节点B之间通过通信提供者制备的偏振纠缠光子对，
|00>，|11>是两粒子基态，该两粒子基态的均匀叠加构成两粒子最大纠缠态，A1＝(1-p)(1-q)，B1＝(1-p)q，C1＝p(1-q)，D1＝pq；Ψi＝|Ψi><Ψi|，且
p,q分别为量子比特翻转信道和量子相位翻转信道发生错误的错误概率；
S103，在两个通信节点间生成了基本纠缠链路后，基于控制量子比特控制着通信节点间生成的分布式纠缠的状态，设定以τ为时间间隔持续从纠缠源经过量子轨道分发2m个纠缠光子后，要求第一通信节点或者第二通信节点对m个控制量子比特C_Ai或者C_Bi，i＝{1,2,…,m}选择相同的测量基，从而使得两相邻节点拥有的2m个存储量子比特(M_Ai,M_Bi)可以存储m个完全相同的分布式纠缠态。
一种实现方式中，所述第一通信节点或者所述第二通信节点配备有飞行-物质量子比特转换器，将所述纠缠光子源分发的光子偏振量子比特转换至所述通信节点的存储量子比特中，以实现纠缠态的存储和处理。
一种实现方式中，所述飞行-物质量子比特转换器的实现包括：
第一通信节点或者第二通信节点事先制备一组光量子比特与存储量子比特的纠缠态，纠缠光子源的偏振量子比特可以通过与所述通信节点的光量子比特执行Bell基测量操作而隐形传输至所述通信节点的存储量子比特上。
一种实现方式中，所述步骤S103的具体操作包括：
(1)两个通信节点先对控制量子比特测量基的选择达成共识，测量完成后，在两个通信节点间生成预期的分布式纠缠光子态
(2)事先在第一通信节点和第二通信节点中分别制备存储量子比特与光量子比特的纠缠对；
(3)将纠缠光子态
分布在第一通信节点中的光量子比特与节点自身所拥有的光量子比特执行Bell基测量以将纠缠光子态
的第一个光量子比特隐形传输至存储量子比特M_A1中；同理，对纠缠光子态
的第二个偏振量子比特进行量子隐形传态后，将其存储在第二通信节点处的存储量子比特M_B1中；在此基础上实现通信节点间分布式纠缠光子态的存储。
一种实现方式中，通信节点间高保真度分布式纠缠态
生成的步骤包括：
先对两组存储量子比特(M_A1,M_B1)和(M_A2,M_B2)中的混合纠缠态
执行预处理操作，包括单边泡利σy操作以及双边旋转操作将混合纠缠态
转化成维纳态
对两组存储量子比特执行纠缠纯化操作，包括将存储量子比特(M_A1,M_B1)中的EPR纠缠态作为控制态，存储量子比特(M_A2,M_B2)中的EPR纠缠态作为目标态以执行双边受控非门操作，对目标态执行Z基测量，当测量结果为00或11时，保留此时存储量子比特(M_A1,M_B1)中的EPR纠缠态，否则丢弃；当所有的目标态都完成了测量之后，会有一半数量的控制态被丢弃，保留下来的控制态就是混合纠缠态
第一次纯化后的结果；并将该纯化后的纠缠态存储至存储量子比特(M_A1,M_B1)中；
当纯化后的纠缠态无法达到我们所需要的阈值时，对该纠缠态继续执行纠缠纯化操作，将两组存储量子比特(M_A3,M_B3)和(M_A4,M_B4)中的混合纠缠态
执行纠缠纯化后获得的量子态存储在存储量子比特(M_A3,M_B3)中，再对此时存储在量子比特(M_A1,M_B1)和(M_A3,M_B3)中的混合纠缠态执行纠缠纯化操作，并将新的纯化结果存储在量子比特(M_A1,M_B1)中，完成对
的二次纯化。
应用本发明实施例提供的一种基于量子时空的高保真度纠缠链路生成方法，提出了当利用通信提供者制备纠缠源时，在量子信道中引入量子时空概念来进行纠缠分发的方法。该方法在能够有效抑制量子信道中噪声对信息载体干扰的同时，更为常见的通信网络场景，如基于卫星的纠缠分发网络提供了一种抗噪能力更强、鲁棒性更高的纠缠分发技术。尽管相比于经典轨道，量子轨道下的信息传输质量更好，但还是会存在部分噪声影响两个节点间纠缠链路的生成质量，所以本发明还进一步设计了一个由控制系统操控的量子存储器模型，基于该模型可以有效的利用纠缠纯化方法来提高量子轨道下基本纠缠链路的保真度。
本发明利用量子时空的量子因果性，在抗噪性上，相比于由标准量子香农理论支撑的纠缠分发方案，在量子轨道下分发的纠缠态可以按一定的概率不受噪声的干扰；与现有的基于量子时空的纠缠分发方案相比，本发明的优点具体如下：
1.利用通信提供者制备的纠缠源在量子轨道中进行分发的方案能够高效地应用在类似于基于卫星的纠缠分发网络中，为建立广域、全覆盖的高效量子中继网络提供保障。
2.设计由控制系统操控的量子存储器模型能够有效解决量子轨道下量子信息的存储和处理问题。
3.将量子轨道与纠缠纯化相结合能够提高量子轨道下两通信节点间基本纠缠链路的保真度，为后续建立高质量的远距离纠缠链路打下坚实的基础。
附图说明
图1是基于量子时空的高保真度纠缠链路的技术路线框图。
图2是EPR纠缠源中两个粒子在量子轨道中遍历的纠缠分发原理图。
图3是基于量子轨道的量子存储器存储信息的原理图。
图4是适用于任何混合纠缠态执行纠缠纯化的方法流程图。
图5是存储量子比特执行纠缠纯化后量子信息的存储方法示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
依据如图1所示的基于量子时空的高保真度纠缠链路技术路线总框图，纠缠源制备到纠缠分发再到量子信息存储以及量子纠错。纠缠源制备可以通过参数下转换方法。在量子纠缠分发下量子轨道包括：量子开关，利用控制量子比特来控制两种非对易噪声过程出现的因果顺序；以及X基测量，通过在量子开关输出端测量控制量子比特以获得两节点间的分布式纠缠态。在量子信息存储过程中，需要同步以相同测量基测量多组控制量子比特以在节点间生成大量相同的分布式纠缠态，再利用飞行-物质转换器，将分布式纠缠态的飞行量子比特(光量子比特)通过量子隐形传态操作存储至物质量子比特(存储量子比特)中。量子纠错的过程包括利用泡利旋转操作和双边旋转操作这些预处理操作将分布式纠缠态转化为维纳态，然后利用易操作的维纳态以实现分布式纠缠态的纠缠纯化操作，纠缠纯化包括双边受控非门操作和单粒子Z基测量。
本发明的实现原理大致可分为以下步骤：
图2对应图1中的纠缠源制备和纠缠分发部分，基于常见的参数下转换方法，通信提供者将激光束指向非线性晶体后，可以概率性的迸发出光子束使其偏振处于纠缠状态，所以，位于第一通信节点A和第一通信节点B之间的通信提供者制备的偏振纠缠光子对可以简单的表示为：
在图2描述的纠缠分发阶段中，通信提供者将该EPR纠缠源的第一个光子经过量子轨道发送给第一通信节点的同时，将第二个光子经过量子轨道发送给了第二通信节点。将每个量子轨道用量子开关来进行模拟，此时量子开关可物理表现为将单个光子在50/50分束器的作用下创造出光子的空间量子比特后，根据空间量子比特是表现为传输的|0>态还是表现为反射的|1>态来分别确定光子的偏振量子比特在分发过程中是遍历经典轨道ε(·)→Λ(·)还是经典轨道Λ(·)→ε(·)，所以当光子的空间模式处于单粒子叠加态|+>c时，光子的偏振量子比特可以同时遍历两个经典轨道ε(·)→Λ(·)和Λ(·)→ε(·)，体现出量子时空的不确定因果性。理论上，可直观的应用图2所示的量子开关电路图，即首先利用U操作来路由输入量子态遍历的信道是ε(·)还是Λ(·)，具体的路由路线依赖于控制量子比特ρc，SWAP交换门则用于实现输入态在另一个噪声信道中的传输，最后的
操作实现量子信息在这两个经典轨道中遍历的融合。显然，量子开关的Kraus算符表达式可表示为
假定
是量子比特翻转信道ε(·)的Kraus算符表达式；
是量子相位翻转信道Λ(·)的Kraus算符表达式，p,q分别为量子比特翻转信道和量子相位翻转信道发生错误的错误概率。
在上述两个相互独立的量子开关作用下，给定两个控制量子比特的初始状态处于叠加态|++>c中，则在量子开关的输出端会获得一个与控制量子比特(上述光子的空间模式)相关的全局量子态ρε,Λ,|++>：
其中A1＝(1-p)(1-q)，B1＝(1-p)q，C1＝p(1-q)，D1＝pq；Ψi＝|Ψi><Ψi|，且
通过对在第一通信节点和第二通信节点处的控制量子比特同时进行X基测量，两通信节点会按概率生成不同的分布式纠缠光子态
如下所示：
显然，分布式纠缠光子态的生成概率依赖于控制量子比特测量基的选择。此外，当量子信道中含有量子比特翻转噪声和量子相位翻转噪声时，偏振纠缠光子源基于量子轨道的纠缠分发可以按概率p2q2使初始EPR纠缠对免受噪声的干扰，这是经典轨道下的纠缠分发所无法实现的。但在全局态ρε,Λ,|++>中对控制量子比特执行|+->c或者|-+>c测量后，通信节点间获得的塌缩态中不含有标准态Ψ1这一分量。鉴于4个EPR纠缠对的可区分性，虽然塌缩态是其他三个纠缠态(Ψ2，Ψ3，Ψ4)的加权和，但通过对两个通信节点中的任意一个执行泡利σy操作可顺利获得包含Ψ1分量的混合纠缠态。所以,第一通信节点和第二通信通信节点之间的分布式纠缠光子态可转化为以下形式：
直观地，通信节点的后处理操作需基于其对控制量子比特测量基的选择：即当两个节点选择相同的测量基时不执行任何操作，而当两个节点选择相反的测量基时需任意一方执行泡利σy操作。
在两个通信节点间生成了基本纠缠链路后，需要存储两个通信节点获得的纠缠粒子，以便后续执行量子操作。基于控制量子比特控制着通信节点间生成的分布式纠缠的状态，所以设定以τ为时间间隔持续从纠缠源经过量子轨道分发2m个纠缠光子后，如附图3所示，要求第一通信节点(第二通信节点)对m个控制量子比特C_Ai(C_Bi)，i＝{1,2,…,m}选择相同的测量基，从而使得两相邻节点拥有的2m个存储量子比特(M_Ai,M_Bi)可以存储m个完全相同的分布式纠缠态。具体的存储原理如下：
(1)两个通信节点先对控制量子比特测量基的选择达成共识，测量完成后，在两个通信节点间生成预期的分布式纠缠光子态
(2)事先在第一通信节点和第二通信节点中分别制备存储量子比特与光量子比特的纠缠对；
(3)将纠缠光子态
分布在第一通信节点中的光量子比特与该节点自身所拥有的光量子比特执行Bell基测量以将纠缠光子态
的第一个光量子比特隐形传输至存储量子比特M_A1中；同理，对纠缠光子态
的第二个偏振量子比特进行量子隐形传态后，将其存储在第二通信节点处的存储量子比特M_B1中。在此基础上实现通信节点间分布式纠缠光子态的存储。
由于在通信节点间基于量子轨道生成的分布式纠缠态是按概率出现的，可能是理想EPR纠缠态，也有可能是混合纠缠态，所以当两个通信节点对控制量子比特测量基的选择并非同时是|->基时，需要选择合适的量子纠错方法来提高混合纠缠态的保真度。由于附图3的量子信息存储模型可以实现两个通信节点的所有存储量子比特存储相同的纠缠态，所以利用该存储机制，可以对存储量子比特执行纠缠纯化操作以提高混合纠缠态的保真度。以控制量子比特的测量基为|-+>c/|+->c为例，此时通信节点间生成的混合纠缠态用
描述，具体的工作原理如下：
如图4所示，先对两组存储量子比特(M_A1,M_B1)和(M_A2,M_B2)中的混合纠缠态
执行预处理操作，包括单边泡利σy操作以及双边旋转操作将混合纠缠态
转化成维纳态
虽然预处理操作会消耗掉该纠缠态的部分纠缠度，但是可以降低后续纠缠纯化操作的复杂度；
对上述两组存储量子比特执行纠缠纯化操作，包括将存储量子比特(M_A1,M_B1)中的EPR纠缠态作为控制态，存储量子比特(M_A2,M_B2)中的EPR纠缠态作为目标态以执行双边受控非门操作，然后对目标态执行Z基测量，当测量结果为00或11时，保留此时存储量子比特(M_A1,M_B1)中的EPR纠缠态，否则丢弃。当所有的目标态都完成了测量之后，会有一半数量的控制态被丢弃，那么保留下来的控制态就是混合纠缠态
第一次纯化后的结果。并将该纯化后的纠缠态存储至存储量子比特(M_A1,M_B1)中；
当纯化后的纠缠态无法达到我们所需要的阈值时，需要对该纠缠态继续执行纠缠纯化操作。如图5所示，将两组存储量子比特(M_A3,M_B3)和(M_A4,M_B4)中的混合纠缠态
执行纠缠纯化后获得的量子态存储在存储量子比特(M_A3,M_B3)中，再对此时存储在量子比特(M_A1,M_B1)和(M_A3,M_B3)中的混合纠缠态执行纠缠纯化操作，并将新的纯化结果存储在量子比特(M_A1,M_B1)中，从而完成了对
的二次纯化。
基于纠缠纯化原理和纯化后量子信息的存储方法，经过有限次纯化，我们所需要的高保真度纠缠态会存储在存储量子比特(M_A1,M_B1)中。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种基于量子时空的基本纠缠链路生成方法，其特征在于，包括：
S101，通信提供者将激光束指向非线性晶体，概率性的进发出光子束使其偏振处于纠缠状态，在第一通信节点和第二通信节点之间通过设立通信提供者以制备偏振纠缠光子对；
S102，纠缠分发阶段中，通信提供者将该EPR纠缠源的第一个光子经过量子轨道发送给第一通信节点的同时，将第二个光子经过量子轨道发送给第二通信节点，将每个量子轨道用量子开关进行模拟；第一通信节点和第二通信节点之间的分布式纠缠光子态
可转化为以下形式：
其中，给定|Ψ1>AB是在第一通信节点A和第二通信节点B之间通过通信提供者制备的偏振纠缠光子对，
|00>，|11>是两粒子基态，该两粒子基态的均匀叠加构成两粒子最大纠缠态，A1＝(1-p)(1-q)，B1＝(1-P)q，C1＝p(1-q)，D1＝pq；Ψi＝|Ψi><Ψi|，且
p，q分别为量子比特翻转信道和量子相位翻转信道发生错误的错误概率；
S103，在两个通信节点间生成了基本纠缠链路后，基于控制量子比特控制着通信节点间生成的分布式纠缠的状态，设定以τ为时间间隔持续从纠缠源经过量子轨道分发2m个纠缠光子后，要求第一通信节点或者第二通信节点对m个控制量子比特C_Ai或者C_Bi，i＝{1，2，…，m}选择相同的测量基，从而使得两相邻节点拥有的2m个存储量子比特(M_Ai，M_Bi)可以存储m个完全相同的分布式纠缠态。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子时空的基本纠缠链路生成方法，其特征在于，所述所述第一通信节点或者所述第二通信节点配备有飞行-物质量子比特转换器，将所述纠缠光子源分发的光子偏振量子比特转换至所述通信节点的存储量子比特中，以实现纠缠态的存储和处理。
3.根据权利要求2所述的通信节点间分布式纠缠态的存储方法，其特征在于，所述飞行-物质量子比特转换器的实现包括：
第一通信节点或者第二通信节点事先制备一组光量子比特与存储量子比特的纠缠态，纠缠光子源的偏振量子比特可以通过与所述通信节点的光量子比特执行Bell基测量操作而隐形传输至所述通信节点的存储量子比特上。
4.根据权利要求3所述的一种飞行-物质量子比特存储器的具体实现方法，其特征在于，所述步骤S103的具体操作包括：
(1)两个通信节点先对控制量子比特测量基的选择达成共识，测量完成后，在两个通信节点间生成预期的分布式纠缠光子态
(2)事先在第一通信节点和第二通信节点中分别制备存储量子比特与光量子比特的纠缠对；
(3)将纠缠光子态
分布在第一通信节点中的光量子比特与节点自身所拥有的光量子比特执行Bell基测量以将纠缠光子态
的第一个光量子比特隐形传输至存储量子比特M_A1中；同理，对纠缠光子态
的第二个偏振量子比特进行量子隐形传态后，将其存储在第二通信节点处的存储量子比特M_B1中；在此基础上实现通信节点间分布式纠缠光子态的存储。
5.根据权利要求1-4所述的一种基于量子时空的基本纠缠链路生成及纠缠信息存储方法，其特征在于，通信节点间高保真度分布式纠缠态
生成的步骤包括：
先对两组存储量子比特(M_A1，M_B1)和(M_A2，M_B2)中的混合纠缠态
执行预处理操作，包括单边泡利σy操作以及双边旋转操作将混合纠缠态
转化成维纳态
对两组存储量子比特执行纠缠纯化操作，包括将存储量子比特(M_A1，M_B1)中的EPR纠缠态作为控制态，存储量子比特(M_A2，M_B2)中的EPR纠缠态作为目标态以执行双边受控非门操作，对目标态执行Z基测量，当测量结果为00或11时，保留此时存储量子比特(M_A1，M_B1)中的EPR纠缠态，否则丢弃；当所有的目标态都完成了测量之后，会有一半数量的控制态被丢弃，保留下来的控制态就是混合纠缠态
第一次纯化后的结果；并将该纯化后的纠缠态存储至存储量子比特(M_A1，M_B1)中；
当纯化后的纠缠态无法达到我们所需要的阈值时，对该纠缠态继续执行纠缠纯化操作，将两组存储量子比特(M_A3，M_B3)和(M_A4，M_B4)中的混合纠缠态
执行纠缠纯化后获得的量子态存储在存储量子比特(M_A3，M_B3)中，再对此时存储在量子比特(M_A1，M_B1)和(M_A3，M_B3)中的混合纠缠态执行纠缠纯化操作，并将新的纯化结果存储在量子比特(M_A1，M_B1)中，完成对
的二次纯化。
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| CN115276823B (zh) | 2024-01-16 |
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