远程量子通信中的退相干问题研究

This project focus on the decoherence effect in long distance quantum communication. In the process of quantum communication, the channel noise may affect the state of the quantum bit. The project aims to realize the decoherence free process by exploiting entanglement purification and error-free encoding process. Our research conbines the theory with realistic physics systems, and generalize it to the application of quantum repeaters and long distance quantum communication. By using the hyperentanglement quantum state, we propose the entanglement purification and entanglement concentration protocols.

量子通信过程中，由于受到噪声的影响，量子态会出现退相干效应。本申请拟对远程量子通信中的退相干理论问题进行研究。研究利用纠缠纯化，避错编码等方法实现主动的克服量子态退相干过程；并结合实际的物理系统展开研究，将其扩展到量子中继器以及量子通信网络中。研究利用超纠缠态作为载体，进行量子纠缠纯化和纠缠浓缩的方案；建立实际条件下的量子通信的物理模型，在噪声条件下利用超纠缠态设计抗噪声的避错编码方案。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。

远程量子通信所面临的问题是信道噪声以及光子损耗导致的成码率低。在项目研究中，我们采用了人工原子与微腔耦合系统，以及线性光学系统分别提出了克服这两方面影响的量子通信方法。首先，针对信道噪声问题，我们提出了在氮空位色心与微腔系统中利用光子的多自由度实现原子能级的宇称测量，通过这种方法可以提高纠缠保真度。基于此系统，我们提出了抗噪声的量子中继模型，并发展了无退相干子空间中的量子门和量子计算方案。其次，针对通信中的光子损耗问题，我们提出了利用线性光学元件和纠缠态辅助实现的光子超萃取方法。在此基础上发展了一步实现的光子信号提取，以及超并行量子计算方案。我们提出的理论方案在理论上解决了远程量子通信中的信道噪声和信道损耗对于通信效率的影响，同时我们的方案基于实际可行的物理系统，具有实验可行性，能够在现有的技术条件下得以实现。可以为实验的发展提供理论支撑。