高容量量子中继器中光子系统多自由度的量子操控研究

Photon system is a natural information carrier in quantum communication, because it is easy to be manipulated and transmitted in quantum information processing. In long-distance quantum communication, quantum repeater is required to depress the effect of the environment noise, which can increase the fidelity and the security of quantum communication protocol. There are multiple degrees of freedom (DOFs) in photon system, such as polarization, spatial-mode, frequency, time-bin, and obit-angular-momentum DOFs. With the multiple DOFs of photon system, the channel capacity and the security of long-distance quantum communication will be increased largely. In this project, we investigate the manipulation of multiple DOFs of photon system in high-capacity quantum repeater to increase the fidelity of photon signal encoded in multiple DOFs in long-distance quantum communication. First, with the nonlinear optical property of cavity quantum electrodynamics, the hybrid entangling gate is investigated for the interaction of the flying photon qubits and the solid state qubits in quantum repeater. Second, the hyperentanglement purification is investigated for the photon system encoded in two or three DOFs to increase the channel capacity of quantum repeater in high-capcacity quantum communication. Third, the hyperentanglement swapping is investigated to link the remote users in high-capcacity quantum communication, which can improve the efficiency of the quantum repeater. We hope that we will obtain some interesting outcomes on the manipulation of multiple DOFs of photon systems in high-capacity quantum repeater from this project.

光子系统是易于操控和传输的信息载体，在量子通信中有非常重要的应用。在远程量子通信中，需要应用量子中继器抑制环境噪声对光子信号的影响，提高通信的保真度和安全性。光子系统具有极化、空间模式、频率、时间-能量和轨道角动量等多个自由度。将光子系统的多个自由度同时应用于量子通信能够提高远程通信的信道容量和安全性。本项目主要研究高容量量子中继器中光子系统多个自由度的量子操控问题，研究内容主要包括：研究基于腔量子电动力学非线性光学作用的杂合量子纠缠门，服务于量子中继中飞行光子比特量子态与固态存储比特量子态之间的转移；研究光子系统两自由度和三自由度的超纠缠纯化，提高量子中继器的容量，服务于高容量安全量子通信；研究光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移，用于链接远距离通信节点，提高量子中继器的效率。通过本项目研究，力争在高容量量子中继器中光子系统多自由度的量子操控方面做出一些创新性的研究成果。

光子系统在量子通信中有非常重要的应用。在远程量子通信中，量子中继器能够链接距离较远的通信节点，抑制环境噪声对光子信号的影响，提高远程量子通信的保真度和安全性。光子系统的多个自由度同时应用于量子通信能够提高远程通信的信道容量和安全性。本项目主要研究高容量量子中继器中光子系统多个自由度的量子操控问题。研究内容主要包括：基于腔量子电动力学非线性光学作用的光量子纠缠门、光子系统两自由度和三自由度的超纠缠纯化和浓缩、光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移。通过本项目研究获得了以下成果：.一、利用金刚石NV色心-光学腔系统中的腔量子电动力学原理构建了鲁棒的两光子极化和空间模式两自由度超并行量子控制相位门和三光子极化和空间模式两自由度超并行量子控制交换门，能够将影响保真度的主要因素转化为可探测的光子信号，用于构建高容量量子中继器。.二、利用线性光学元件构造了未知系数的光子系统极化、空间模式和时间三自由度超纠缠Bell态浓缩方案和超纠缠GHZ态浓缩方案；利用线性光学元件构造了已知系数的光子系统极化、空间模式和时间三自由度超纠缠Bell态浓缩方案；利用腔量子电动力学设计了预报式纠缠纯化方案；这些方法能够抑制远程量子通信中噪声对超纠缠光子系统的影响。 .三、在光子系统两自由度和三自由度的超纠缠转移方面，重点研究了超纠缠态测量这一核心问题。利用线性光学元件，通过引入时间序列设计区分16个超纠缠Bell态的超纠缠态测量方案。通过辅助其他自由度纠缠态设计区分16个超纠缠Bell态的超纠缠态测量方案。.四、针对信道噪声问题，利用线性光学元件和光子系统两个自由度设计了抗联合噪声的量子密钥分发方案。