基于多自由度系统的量子通信的研究

In the process of quantum communication, the loss and decoherence effect of the quantum information, which are caused by the inevitable interaction between the quantum state and the environment, will influence the fidelity and security of communication.This project focus on how to deal with the loss and decoherence effect in long distance quantum communication by exploiting multi-degree-of-freedom (multi-DOF)quantum system resources. Base on linear optics system, we will propose schemes to realize heralded multi-DOF single-photon amplification and hyper-distillation to against the photon loss; we also will propose the hyperentanglement purification and hyperentanglement concentration protocols to against decoherence effect. We plan to investigate the advantages of multi-DOF quantum system in nonlocal quantum information processing, by studying the nonlinear coupling between multi-DOF photons and the matter and its applications in efficient hybrid multi-qubit gate construction. Our research combines the theory with the realistic physics system, and generalizes it to the application of long distance quantum communication.

量子通信过程中，量子态不可避免的会与环境相互作用，出现信号损耗和退相干问题，影响通信的保真度和安全性。本申请拟针对“如何利用多自由度量子系统在信道容量上的优势，有效地抑制远程量子通信中出现的信号损耗和退相干问题”进行理论研究。针对量子通信中的信道损耗问题，我们将开展光子多个自由度的量子比特放大及量子态提取方面的研究；针对量子通信中的退相干问题，我们将利用线性光学系统研究超纠缠浓缩和超纠缠纯化技术，实现超纠缠态的高保真传输过程。同时，我们将研究多个自由度编码光子与物质相互作用的物理机制，以此为基础研究快速、高效的杂合系统多比特操控过程，从理论上验证多自由度量子系统在实现非定域量子信息操作中起到的提高效率和简化操作的双重功能，阐明其作为信息载体的优势，以期为远程量子通信的实验实现奠定基础。

量子通信过程中，量子态不可避免的会与环境相互作用，出现信号损耗和退相干问题，影响通信的保真度和安全性。本项目对“如何利用多自由度量子系统在信道容量上的优势，有效地抑制远程量子通信中出现的信号损耗和退相干问题”进行理论研究。针对量子通信中的信道损耗问题，我们对光子多个自由度的量子比特放大及量子超纠缠提取方面的进行研究，利用线性光学系统提出超纠缠纯化方案，提出高效的量子纠缠和超纠缠提取方案；提出了基于轨道角动量的高维度量子信息安全传输方案。同时，我们研究多个自由度编码光子与物质相互作用的物理机制，以此为基础提出了快速、高效的杂合系统操控过程，从理论上提出高维度量子系统的控制反转门，实现提高效率和简化操作的双重功能，以期为远程量子通信的实验实现奠定基础。