高容量量子中繼器中光子系統多自由度的量子操控研究

《高容量量子中繼器中光子系統多自由度的量子操控研究》是依託首都師範大學，由任寶藏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高容量量子中繼器中光子系統多自由度的量子操控研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：任寶藏
• 依託單位：首都師範大學

項目摘要

光子系統是易於操控和傳輸的信息載體，在量子通信中有非常重要的套用。在遠程量子通信中，需要套用量子中繼器抑制環境噪聲對光子信號的影響，提高通信的保真度和安全性。光子系統具有極化、空間模式、頻率、時間-能量和軌道角動量等多個自由度。將光子系統的多個自由度同時套用於量子通信能夠提高遠程通信的信道容量和安全性。本項目主要研究高容量量子中繼器中光子系統多個自由度的量子操控問題，研究內容主要包括：研究基於腔量子電動力學非線性光學作用的雜合量子糾纏門，服務於量子中繼中飛行光子比特量子態與固態存儲比特量子態之間的轉移；研究光子系統兩自由度和三自由度的超糾纏純化，提高量子中繼器的容量，服務於高容量安全量子通信；研究光子系統兩自由度和三自由度的超糾纏轉移，用於連結遠距離通信節點，提高量子中繼器的效率。通過本項目研究，力爭在高容量量子中繼器中光子系統多自由度的量子操控方面做出一些創新性的研究成果。

結題摘要

光子系統在量子通信中有非常重要的套用。在遠程量子通信中，量子中繼器能夠連結距離較遠的通信節點，抑制環境噪聲對光子信號的影響，提高遠程量子通信的保真度和安全性。光子系統的多個自由度同時套用於量子通信能夠提高遠程通信的信道容量和安全性。本項目主要研究高容量量子中繼器中光子系統多個自由度的量子操控問題。研究內容主要包括：基於腔量子電動力學非線性光學作用的光量子糾纏門、光子系統兩自由度和三自由度的超糾纏純化和濃縮、光子系統兩自由度和三自由度的超糾纏轉移。通過本項目研究獲得了以下成果：一、利用金剛石NV色心-光學腔系統中的腔量子電動力學原理構建了魯棒的兩光子極化和空間模式兩自由度超並行量子控制相位門和三光子極化和空間模式兩自由度超並行量子控制交換門，能夠將影響保真度的主要因素轉化為可探測的光子信號，用於構建高容量量子中繼器。二、利用線性光學元件構造了未知係數的光子系統極化、空間模式和時間三自由度超糾纏Bell態濃縮方案和超糾纏GHZ態濃縮方案；利用線性光學元件構造了已知係數的光子系統極化、空間模式和時間三自由度超糾纏Bell態濃縮方案；利用腔量子電動力學設計了預報式糾纏純化方案；這些方法能夠抑制遠程量子通信中噪聲對超糾纏光子系統的影響。 三、在光子系統兩自由度和三自由度的超糾纏轉移方面，重點研究了超糾纏態測量這一核心問題。利用線性光學元件，通過引入時間序列設計區分16個超糾纏Bell態的超糾纏態測量方案。通過輔助其他自由度糾纏態設計區分16個超糾纏Bell態的超糾纏態測量方案。四、針對信道噪聲問題，利用線性光學元件和光子系統兩個自由度設計了抗聯合噪聲的量子密鑰分發方案。