量子信令中继器模型及性能仿真

为了解决量子信令远程传输损伤问题,提出了一种量子信令中继器模型. 在该模型中,首先对接收到的信令量子态进行纠缠纯化和纠缠分发,这样就可在收发双方之间建立纠缠信道. 其次,通过纠缠交换,传送所要发送的量子信令,从而完成量子信令的中继. 仿真结果表明,在保真度为0.98、纠缠对成功建立概率为0.98的条件下, 信令中继成功率可以达到97%以上;在纠缠交换概率、纯化概率和纠缠对成功建立概率都为0.98时, 量子信令中继器的吞吐量可达到183kbps,以上各项指标能够有效满足量子通信对信令中继的要求. 关键词： 量子通信 量子信令 纠缠纯化 纠缠分发     

一种基于纠缠态的量子中继通信系统

提出了一种基于纠缠态的量子中继通信系统,该系统应用纠缠为基本资源.纠缠为量子隐形传态和绝对安全的量子通信提供了保证.量子中继器用来延长高纠缠度的纠缠光子对的纠缠距离,利用纠缠交换和纠缠纯化在系统的发信者与受信者之间建立光子对的纠缠.应用量子隐形传态的原理传输量子信息.系统分析表明,量子通信系统的吞吐率随着通信双方成功建立纠缠的概率增大而显著增加,量子信号的传输距离取决于量子中继节点的级数.     

Distributed wireless quantum communication networks

The distributed wireless quantum communication network （DWQCN） ha~ a distributed network topology and trans- mits information by quantum states. In this paper, we present the concept of the DWQCN and propose a system scheme to transfer quantum states in the DWQCN. The system scheme for transmitting information between any two nodes in the DWQCN includes a routing protocol and a scheme for transferring quantum states. The routing protocol is on-demand and the routing metric is selected based on the number of entangled particle pairs. After setting up a route, quantum tele- portation and entanglement swapping are used for transferring quantum states. Entanglement swapping is achieved along with the process of routing set up and the acknowledgment packet transmission. The measurement results of each entan- glement swapping are piggybacked with route reply packets or acknowledgment packets. After entanglement swapping, a direct quantum link between source and destination is set up and quantum states are transferred by quantum teleportation. Adopting this scheme, the measurement results of entanglement swapping do not need to be transmitted specially, which decreases the wireless transmission cost and transmission delay.     

Hybrid quantum repeater using bright coherent light

We describe a quantum repeater protocol for long-distance quantum communication. In this scheme, entanglement is created between qubits at intermediate stations of the channel by using a weak dispersive light-matter interaction and distributing the outgoing bright coherent-light pulses among the stations. Noisy entangled pairs of electronic spin are then prepared with high success probability via homodyne detection and postselection. The local gates for entanglement purification and swapping are deterministic and measurement-free, based upon the same coherent-light resources and weak interactions as for the initial entanglement distribution. Finally, the entanglement is stored in a nuclear-spin-based quantum memory. With our system, qubit-communication rates approaching 100 Hz over 1280 km with fidelities near 99% are possible for reasonable local gate errors.     

量子信令交换机模型设计及性能分析

本文提出了量子信令交换机的模型, 该交换机由经典信息控制模块、交换控制模块和量子交换模块三部分组成. 经典控制模块负责将纠缠初态信息传送给纠缠测量及交换单元并更新路由信息. 交换控制模块实现通路选择, 为纠缠对的分发提供通路. 量子交换模块制备纠缠对, 进行Bell态的测量, 完成纠缠交换. 量子信令交换机可以实现多用户间的信令传输及局域网通信. 通过对交换机的性能分析与仿真, 结果表明该交换机结构简单、安全保密、便于扩展、时延小, 对于构建量子通信网有很好的支撑作用. 关键词： 量子通信 量子信令网 量子信令交换机 纠缠交换     

"量身定做"单光子波包:在量子网络中控制光子/自旋量子界面

文章简要地介绍了如何在量子网络中控制量子界面动力学以实现静态量子比特和动态量子比特的相互转换．具体言之，该界面由半导体量子点、固体光学微腔以及光学波导管构成，静态及动态比特分别为量子点中的电子自旋和波导管中的单光子波包所携带．界面动力学的控制则是基于对量子点、微腔和波导管耦合系统的量子电动力学的严格求解．据此可实现网络中两个远距离节点间的量子态传输、交换以及确定性的建立量子纠缠等量子操作．上述量子界面亦可用于任意指定波形的单光子源或者单光子探测装置。     

多跳噪声量子纠缠信道特性及最佳中继协议

在量子通信网络中, 最佳中继路径的计算与选择策略是影响网络性能的关键因素. 针对噪声背景下量子隐形传态网络中的中继路径选择问题, 本文首先研究了相位阻尼信道及振幅阻尼信道上的纠缠交换过程, 通过理论推导给出了两种多跳纠缠交换信道上的纠缠保真度与路径等效阻尼系数. 在此基础上提出以路径等效阻尼系数为准则的隐形传态网络最佳中继协议, 并给出了邻居发现、量子链路噪声参数测量、量子链路状态信息传递、中继路径计算与纠缠资源预留等工作的具体过程. 理论分析与性能仿真结果表明, 相比于现有的量子网络路径选择策略, 本文方法能获得更小的路径平均等效阻尼系数及更高的隐形传态保真度. 此外, 通过分析链路纠缠资源数量对协议性能的影响, 说明在进行量子通信网设计时, 可以根据网络的规模及用户的需求合理配置链路纠缠资源.     

冷原子系综内单集体激发态的相干操纵

原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中,单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此,研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干,采用环形腔增强原子至光子的转化效率,发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术,利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠,利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外,简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.     

多模式固态量子存储

量子存储器是光子与物质系统之间的接口,允许存入和读出加载了量子信息的光子,是构建实用化量子网络的核心器件.基于稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器,较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一.本文综述近年来基于稀土掺杂晶体的多模式固态量子存储方面的实验进展.主要内容包括频率自由度的多模式量子存储、时间自由度的多模式量子存储、空间自由度的多模式量子存储和多个自由度并行复用的多模式量子存储.在多自由度复用的多模式存储的基础上进一步介绍基于量子存储器的量子模式变换和实时的任意操作.该系列工作为构建高速率的实用化量子网络奠定基础,其中超越存储器本身的脉冲操作功能还有望在未来量子信息处理过程中获得广泛的应用.     

基于分组交换的量子通信网络传输协议及性能分析

量子纠缠交换能够建立可靠的量子远程传输信道, 实现量子态的远程传输. 然而, 基于纠缠交换的量子信道要求网络高度稳定, 否则会浪费大量纠缠资源. 为节省纠缠资源, 本文根据隐形传态理论, 提出了一种基于分组交换的量子通信网络传输协议, 建立了发送量子态所需的纠缠数目与所经过的路由器数、链路错误率的定量关系, 并与纠缠交换传输协议进行了比较. 仿真结果表明, 在链路错误率为0.1% 时, 分组传输协议所使用的纠缠数目少于纠缠交换的数目, 另外, 随着错误率的升高, 分组传输协议所需的纠缠数比纠缠交换协议明显减少. 由此可见, 基于分组交换的量子通信网络传输协议在网络不稳定时, 能够节省大量纠缠资源, 适用于链路不稳定的量子通信网络.     

基于纠缠交换的仲裁量子签名方案

提出了一种基于量子纠缠交换的仲裁签名协议. 以Bell态为基础,首先将待签消息利用幺正算符序列进行编码,通过算符序列对Bell态进行调制,再通过对量子信息加密产生签名.验证者将签名信息与仲裁者通过纠缠交换所产生的关联态相结合,通过Bell测量来对签名的真实性进行验证.算法利用量子加密保障了真实签名的不可伪造性,同时通过仲裁的参与结合量子密钥有效解决了双方的抵赖问题,方案还能够有效实现对通信双方隐私信息的保护. 关键词： 量子密码 量子签名 纠缠交换     

光学体系宏观-微观纠缠及其在量子密钥分配中的应用

宏观-微观纠缠最早起源于“薛定谔的猫”思想实验, 是指在宏观体系与微观体系之间建立量子纠缠. 实现宏观-微观纠缠可以利用多种物理体系来完成, 本文重点介绍了在光学体系中制备和检验宏观-微观纠缠的发展过程. 从最初的受激辐射单光子量子克隆到光学参量放大, 再到相空间的位移操作, 实验上制备宏观-微观纠缠的方法取得了长足的进步. 利用非线性光学参量放大过程制备的宏观-微观纠缠的光子数可以达到10⁴量级, 人眼已经可以观察到, 因此使用人眼作为探测器来检验宏观-微观纠缠的实验开始出现. 但随后人们意识到, 粗精度的光子数探测器, 例如人眼, 无法严格判定宏观-微观纠缠的存在. 为了解决这个难题, 提出了一种巧妙的方法, 即在制备宏-微观纠缠后, 利用局域操作过程将宏观态再变为微观态, 通过判定微观纠缠存在的方法来判定宏微观纠缠的存在. 之后相空间的位移操作方法将宏观态的粒子数提高到10⁸, 并且实现了纠缠的严格检验. 利用光机械实现宏观-微观纠缠的方案也被提出. 由于量子密钥分配中纠缠是必要条件, 而宏观-微观纠缠态光子数较多这一优势可能会对量子密钥分配的传输距离有所提高. 本文介绍了利用相位纠缠的相干态来进行量子秘钥分配的方案, 探讨了利用宏观-微观纠缠实现量子密钥分配的可能性.     

基于纠缠交换的多方多级量子密钥分配协议

提出了一种基于纠缠交换的多方多级量子密钥分配协议.构造了一种两方三级系统的完备正交归一化基，利用该正交归一化基和纠缠交换可以实现两方量子密钥分配.同时，三级可以推广到多级以及两方推广到多方，即可以实现基于纠缠交换的多方多级量子密钥分配.这样，利用纠缠交换和多级密钥分配可以极大地提高检测窃听的效率、密钥生成率以及信息容量. 关键词： 量子密钥分配 纠缠交换 多方 多级     

利用光子回声技术产生光的三体纠缠态的研究

量子纠缠是实现量子通信和量子计算的重要资源,其中多体纠缠更是构建量子网络实现全局量子计算的基础。本文主要研究如何利用经典的光子回声技术实现光量子态的三体纠缠。在自由空间中向掺杂稀土离子的固态离子系综中射入经典光场,当离子体系达到相位重构条件时即可获得三束存在纠缠的量子光场。基于本方案纠缠产生的技术特点,发现其在提高量子中继器的工作效率上有着潜在的应用价值。     

光子两自由度超并行量子计算与超纠缠态操控

光子系统在量子信息处理和传输过程中有非常重要的应用. 譬如, 利用光子与原子(或人工原子)之间的相互作用, 可以完成信息的安全传输、存储和快速的并行计算处理等任务. 光子系统具有多个自由度, 如极化、空间模式、轨道角动量、时间-能量、频率等自由度. 光子系统的多个自由度可以同时应用于量子信息处理过程. 超并行量子计算利用光子系统多个自由度的光量子态同时进行量子并行计算, 使量子计算具有更强的并行性, 且需要的量子资源少, 更能抵抗光子数损耗等噪声的影响. 多个自由度同时存在纠缠的光子系统量子态称为超纠缠态, 它能够提高量子通信的容量与安全性, 辅助完成一些重要的量子通信任务. 在本综述中, 我们简要介绍了光子系统两自由度量子态在量子信息中的一些新应用, 包括超并行量子计算、超纠缠态分析、超纠缠浓缩和纯化三个部分.     

基于拉曼协议的量子存储

量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统,是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件.量子存储协议多种多样,其中拉曼方案由于具有存储宽带大、可用于存储短脉冲信号的优点而引起了人们的广泛关注.然而实现真正单光子和光子纠缠的拉曼存储具有挑战性.本文简要介绍了量子存储器的主要性能和评价指标,在回顾了量子存储器特别是拉曼量子存储器的发展现状后,重点介绍了本研究组最近基于拉曼协议实现各种量子态存储的系列研究,取得的研究成果对于构建高速量子网络具有重要参考价值.     

Entanglement-assisted quantum logic gates for two remote qubits

We propose a protocol to realize quantum logic gates for two remote qubits via entanglement swapping. According to the scheme of quantum repeater presented by H.-J. Briegel et al., we can complete long-distance communication and computation. Compared with previous schemes through noisy channels, our protocol can overcome the limitation that error probability scales exponentially with the length of the channel. We illustrate this protocol in cavity QED system, but the idea can also be realized in other physical systems.     

Entanglement purification for memory nodes in a quantum network

The entanglement between quantum memory nodes is a prerequisite in a quantum network, and the diamond nitrogen-vacancy(NV) center is a promising candidate serving as a quantum memory node. Here, we investigate the possibility of achieving an entanglement purification protocol(EPP) for entangled NV centers in distant diamonds. To construct the EPP, we design a nondestructive parity-check detector(PCD) utilizing an auxiliary polarization-entangled photon pair, which makes our EPP less time consuming and insensitive to the phase fluctuation of the optical path length. The satisfied fidelity of an NV center pair after purification and efficiency of obtaining a purified NV center pair with our EPP can be obtained with current experimental techniques in the realistic condition. This EPP is useful for a quantum network in which NV centers are used as quantum memory nodes.     

Long-distance quantum communication with “polarization” maximally entangled states

We propose a scheme for long-distance quantum communication where the elementary entanglement is generated through two-photon interference and quantum swapping is performed through one-photon interference. Local “polarization” maximally entangled states of atomic ensembles are generated by absorbing a single photon from on-demand single-photon sources. This scheme is robust against phase fluctuations in the quantum channels, moreover speeds up long-distance high-fidelity entanglement generation rate.