用于量子通信的设备和系统及量子相位补偿方法与流程

1.本发明涉及(特别地在量子通信中)用于补偿相移的设备和方法。特别地，本发明涉及量子网络中的纠缠分布协议，这些纠缠分布协议依赖于当纠缠模式传播通过量子网络时纠缠模式所获取的相位。


背景技术：

2.近年来，量子计算和量子通信的快速发展已经导致了量子网络(即，使用量子通信作为一种手段来将量子信息从网络的一个节点传送到网络的另一节点的网络)的发展。量子网络可以例如被用于链接几个量子计算机或者在大的距离上安全地传送信息。量子网络典型地包括至少两个节点，在这两个节点之间交换量子信息。这些节点可以例如是量子计算机、量子存储器或量子模拟器。
3.在操作中，节点之一(称为发送器)创建处于纠缠状态的物理系统。纠缠状态包括两个或多于两个模式，其中一个模式本地保持在发送器处，而其他模式之一传送到第二节点(称为接收器)。由于这两个模式是同一纠缠状态的一部分，无论它们之间的距离如何，在这两个模式之间都会出现非经典的相关性。这个特性可以用于通过所谓的“量子遥传”来传送信息。在此并且在下文中，纠缠状态的模式也称为量子信息载体。出于以下说明的各种原因，从发送器到接收器的传输不一定是直接传输。而是，涉及量子网络中的另外的节点。
4.如以上所说明的，量子通信要求量子信息载体之一从发送器传送到接收器。因而，量子通信范围的限制之一是量子信息载体的传送通道中的损耗。因此，已经开发了量子中继器用于量子网络中的信号增强。量子中继器使用纠缠交换的概念，从而即使发送器和接收器相隔太远而不能将一个量子信息载体直接从发送器传送到接收器，也在发送器和接收器处创建纠缠状态。
5.在最基本的形式中，量子中继器经由中央站连接量子网络的两个节点。下面将更详细地描述中央站。在下文中，这种基本的量子中继器也将被称为“单链路量子中继器”。然而，量子中继器包括链接在一起的多个单链路(one-link)量子中继器也是可能的。
6.在下文中，将使用量子位作为量子信息载体的示例简要地说明纠缠交换的概念。量子位可以由任何双态或双级量子机制系统来表示。这样，在数学上，一个量子位的状态被表达为其基态的叠加，例如可以表示为|0》和|1》。实际上，量子位通常由光子或光子模式来表示。在这种情况下，基态可以例如与全垂直或全水平偏振、光子模式的fock状态或者光子的发射时间相对应。光子的许多其他特性可以用于表示量子位的基态。一方面，创建大量光子是相对容易的(即，通过激光)。另一方面，还可能通过更复杂的系统(诸如来自激发的单个原子或离子、或晶体的发射)生成单个光子。这样，可以以适合于表示量子信息的多种模式来生成光子。然而，应注意，本发明的一般原理不限于光子量子位作为量子信息载体。
7.虽然下面说明了单链路量子中继器的操作，但也适用于量子中继器由链接在一起的几个单链路量子中继器组成的情况。
8.对于纠缠交换的处理，在量子中继器的节点a(发送器)和节点b(接收器)这两者处
生成包括一对量子位i和s的纠缠状态。如已知的，所得到的纠缠状态将各自包括指示纠缠状态的量子位之间的相位差的相位因子φ。
9.在操作中，量子位之一(例如量子位i)从该量子中继器的节点a和b这两者被传送到该量子中继器的中央站，该中央站位于发送器与接收器之间。量子位s被存储在相应的节点处。在中央站，对量子位i进行贝尔(bell)状态测量，从而导致存储在节点a和b处的量子位s变得纠缠。在数学上，在空间上分离的两个节点a和b处的纠缠状态于是可以写为如下：
10.α|0
s,a1s,b
》+e
iδθ
β|1
s,a0s,b
＞
11.在此，δθ表示φ
a-φb，即，在中央站处的贝尔状态测量时两个纠缠状态之间的相位差。为了在发送器与接收器之间建立起作用的通信协议，特别是如果该协议对由纠缠状态所获取的相位敏感，δθ必须在通信处理需要的所有重复期间是恒定的。然而，实际上，该值可能偏移并且量子位i可能在其到中央站的途中经历相位波动δθ
i,noise
。这些波动可以例如源自环境源，诸如振动等。
12.为了保持δθ恒定，已经提出了(m.pompili,s.l.n hermans,s.baier et.al.,“realization of a multinode quantum network of remote solid-state qubits”,science,vol.372,issue 6539,pp.259-264,doi:10.1126/science.abg1919)通过测量在发送器和接收器处产生的激光脉冲之间的相位差来确定中央站的δθ
i,noise
。然后，该信息用于在光纤处应用校正，该光纤用于将量子位i从发送器或接收器传送到中继器。然而，这种方法仍然具有缺点，因为要求在可以对量子位i应用校正之前测量δθ
i,noise
。这样，通信速率或带宽受限制。此外，有可能的是量子位i经历附加的波动，这导致与已经利用激光脉冲的测量所确定的δθ
i,noise
的差。此外，在光纤处应用校正可能需要降低系统的总传输速率的附加装置。
13.因此，本发明的目的是提供用于量子相移的改进的补偿的设备和方法。


技术实现要素：

14.该目的是利用根据权利要求所述的用于量子网络中的量子通信的设备来实现的。在从属权利要求中阐述了优选实施例。
15.该设备被配置为创建包括第一量子信息载体和第二量子信息载体的量子信息载体纠缠对，将第一量子信息载体发射到远程装置，将第二量子信息载体存储在该设备的量子存储器中，从该远程装置接收与该第一量子信息载体的传输有关的关于相位校正的信息，并且将该相位校正应用于该第二量子信息载体。
16.该远程装置可以是量子中继器的中央站。该设备可以是量子中继器的节点。该量子中继器可以包括一个或多于一个节点以及一个或多于一个中央站，其中一个中央站链接两个节点。特别地，该设备可以连接至量子计算机和/或量子存储器和/或量子模拟器。该设备还可以是量子计算机和/或量子存储器和/或量子模拟器的一部分。
17.如上所说明的，量子信息载体是可以用于在两个远程位置之间交换量子信息的任何实体。特别地，量子信息载体可以是指可以从一个装置发送到另一装置或存储在量子存储器中的纠缠量子系统的任何模式。虽然将参考作为量子信息载体的量子位(特别是由光子表示的量子位)来说明本发明，但应理解的是，本发明不限于此。
18.关于相位校正的信息可以是相位校正的幅度。特别地，相位校正可以是在量子通
信期间在量子网络的两个端节点之间维持恒定相位所需要的相位校正。
19.量子存储器是被配置为存储量子信息载体的装置。注意的是，虽然量子存储器存储量子信息载体(例如量子位)，但是不一定存储表示该量子位的物理实体(例如光子)。量子存储器可以例如包括掺杂有稀土离子的晶体。量子存储器还可以包括包含点缺陷(特别是f-或色心)的固态器件。特别地，量子存储器可以包括包含这种点缺陷的金刚石。量子存储器的其他实施例可以包括激光冷却的原子集合或作为温蒸气的原子集合。然而，还可能将光子直接存储在例如光纤的卷轴和/或镜组件中。
20.因此，在此并且在下文中，表述“存储量子信息载体”包括表示该量子信息载体的物理实体(例如，光子)的存储和由该物理实体携带的量子状态的存储这两者。
21.可以通过任何适合的手段将第一量子信息载体从该设备发送到该远程装置。例如，如果第一量子信息载体是光子或由光子表示，它可以经由光纤被发送到该远程装置。光子也可以通过自由空间被直接发送。例如，光子可以直接从位于空间中的卫星或航天器上的设备被发送到位于另一卫星或航天器上的远程装置。另一可能性是通过自由空间从基地设备到航天器的直接传输，反之亦然。光子通过自由空间(从空间到空间、从地面到空间或从空间到地面)的直接传输在下文中也将被称为自由空间链路。应注意，大气在此背景下被认为是自由空间。
22.相位校正可以通过任何适当的手段被应用于第二量子信息载体。特别地，可以将一个或多于一个电磁脉冲应用于第二量子信息载体以应用相位校正。特别地，相位校正可以直接被应用于第二量子信息载体。这种直接应用与通过稳定传送通道或对传送通道应用校正而经由第一量子信息载体间接地应用形成对比。
23.该设备可以经由光学信号接收关于相位校正的信息。替代地或附加地，该设备可以经由通过有线或无线连接发送的电子信号来接收关于相位校正的信息。特别地，该设备可以经由被用于将第一纠缠量子信息载体发送到远程装置的同一传输通道接收关于相位校正的信息。
24.由此，与现有技术的装置相比，相位校正被应用于第二量子信息载体(即，本地保留在该设备的位置处的量子信息载体)。这具有以下优点：不必在将各个第一量子信息载体以适当的校正发送到远程装置之前等待所确定的相位校正。因而，根据本发明的设备能够具有更高的通信速率。
25.该设备可以被配置为在第二量子信息载体被存储在量子存储器中时将相位校正应用于第二量子信息载体。大体上，这可以包括当第二量子信息载体被存储在量子存储器中和/或从量子存储器中被检索时，向第二量子信息载体应用一个或多于一个电磁脉冲。具体的实现将取决于所使用的量子存储器的类型。然而，用于改变存储在量子存储器中的量子信息载体的相位的合适方法在本领域中是已知的。例如，有可能的是相对于量子存储器存储和检索第二量子信息载体包括应用一个或多于一个电磁脉冲。在这种情况下，可以适当地调整这些电磁脉冲的相位或振幅，以对所存储的信息给予相位校正。例如，如果该量子存储器包括掺杂稀土离子的晶体，则应用相位校正可以包括改变量子存储器中的控制脉冲之间的相对相位。如果量子存储器包括包含点缺陷(特别地，氮空位(nv)中心)的金刚石，则应用相位校正可以包括改变用于控制量子存储器的微波脉冲的相位。
26.在第二量子信息载体被存储在量子存储器中和/或从量子存储器中被检索时对第
二量子信息载体应用校正具有以下优点：可以减少系统中的损耗。这是因为有可能使用无论如何都将进行的处理，诸如向量子存储器应用控制脉冲，以应用相位校正。照此，不必将各自具有有限效率的附加装置引入到系统中。
27.可替代地，该设备可以被配置为当已经从该量子存储器检索到第二量子信息载体时向第二量子信息载体应用相位校正。特别地，这可以包括对第二量子信息载体使用相位调制器。例如，可以通过使用声光调制器(aom)、电光调制器(eom)、例如使用压电致动器机械地伸展的光纤贴片等来应用相位校正。在已经从量子存储器中检索到第二量子信息载体之后对第二量子信息载体应用相位校正具有以下优点：它是更直接的实现，该实现不依赖于量子存储器的类型。
28.量子信息载体可以由一个或多于一个光子或光子模式来表示。量子信息载体可以是量子位。特别地，创建量子信息载体纠缠对可以包括生成两个量子信息载体的纠缠状态，其中，纠缠状态是使用该纠缠对的可能基态中的一个或多于一个来表达的。例如，基态可以是纠缠模式的fock状态或纠缠光子的偏振。纠缠状态也可能是贝尔状态。
29.使用光子或光子模式来表示量子信息载体具有以下优点：使得容易创建纠缠的量子信息载体。此外，光子可以高速且容易地在大距离上发送。而且，特别地，如果光子具有如在光学通信中使用的波长，即，在1260nm与1675nm之间的波长，则损耗可以保持得低。例如，通过使用光纤，传输路径可以是几乎任意的。为了生成纠缠的光子，该设备可以包括用于相干光的源，特别是激光器。
30.该设备还可以被配置为将非纠缠光子发送到远程装置，其中由远程装置基于从该设备发送到该远程装置的非纠缠光子而确定关于相位校正的信息。特别地，该设备可以被配置为将包括非纠缠光子的多个经典光脉冲发送到该远程装置。如果量子信息载体由光子表示，则该设备可以被配置为用同一源(具体为激光器)生成非纠缠光子。
31.远程装置可以被配置为测量包括从该设备接收到的非纠缠光子的光的经典脉冲之一与包括来自量子网络中的其他节点的非纠缠光子的光的其他经典脉冲之间的相对相位。例如，远程装置可以被配置为使用干涉仪来确定相对相位。
32.非纠缠光子的波长可以基于表示第一量子信息载体的光子的波长来确定。特别地，非纠缠光子的波长可以与表示第一量子信息载体的光子的波长相同。由此，所测量的相位差将与第一量子信息载体所经历的相移非常相似或相同。由此，可以改进相位校正的精度。非纠缠光子和/或表示第一量子信息载体的光子的波长可以在1260nm与1675nm之间。如果光纤被用作第一量子信息载体和/或非纠缠光子的传输部件，则这种波长可以是特别有利的。然而，本发明不限于该波段。
33.该设备可以被配置为将第一量子信息载体和非纠缠光子经由同一通信通道、特别是同一光纤或自由空间链路发送到远程装置。由此，第一量子信息载体和非纠缠光子可能经受相同的外部影响，因此经历相同的相移。这可以进一步提高相位校正的精度。
34.该设备可以被配置为以交替的方式发送非纠缠光子和第一量子信息载体。特别地，用于确定相位校正的非纠缠光子可以在时间上紧邻第一量子信息载体的情况下被发送。特别地，在发送第一量子信息载体与发送非纠缠光子之间的时间可以小于5s、优选地小于1s。这样，可以进一步增加非纠缠光子和第一量子信息载体受到相同的外部影响的可能性，并且可以进一步提高相位校正的精度。
35.此外，可以基于与第一量子信息载体和/或非纠缠光子的传输相关联的信息、特别是基于与第一量子信息载体和非纠缠光子在传输期间暴露于的噪声相关联的信息来调整发送第一量子信息载体与发送非纠缠光子之间的时间。该信息可以例如基于所接收的与第一量子信息载体的传输有关的关于相位校正的信息来确定。例如，如果信息指示噪声大，则可以减少发送第一量子信息载体与发送非纠缠光子之间的时间。另一方面，如果信息指示噪声小，则可以增加发送第一量子信息载体与发送非纠缠光子之间的时间。以这种方式，可以在维持相位校正的高度精度的同时有效率地使用网络的资源。
36.本发明还提供用于量子相位补偿的方法。
37.该方法包括：由第一装置创建包括第一量子信息载体和第二量子信息载体的量子信息载体纠缠对，从第一装置向第二装置发送第一量子信息载体，由第一装置将第二量子信息载体存储在量子存储器中，由第一装置接收与第一量子信息载体的传输有关的关于相位校正的信息，以及由第一装置将相位校正应用于第二量子信息载体。
38.特别地，第一装置可以是如上所述的设备，并且可以具有上述特征中的一个或多于一个特征。
39.将相位校正应用于第二量子信息载体可以包括当第二量子信息载体被存储在量子存储器中时将相位校正应用于纠缠量子信息载体。
40.可替代地，将相位校正应用于纠缠量子信息载体可以包括当从量子存储器检索到第二量子信息载体时将相位校正应用于第二量子信息载体。
41.量子信息载体可以由光子或光子模式来表示。量子信息载体可以是量子位。特别地，创建量子信息载体纠缠对可以包括生成两个量子信息载体的纠缠状态，其中纠缠状态是使用纠缠对的可能基态中的一个或多于一个基态来表示的。例如，基态可以是纠缠模式的fock状态或纠缠光子的偏振。纠缠状态也可能是贝尔状态。
42.该方法还可以包括将非纠缠光子从第一装置发送到第二装置，并且由第二装置基于从第一装置发送到第二装置的非纠缠光子来确定关于相位校正的信息。
43.可以基于表示第一量子信息载体的光子的波长来确定非纠缠光子的波长，特别地其中，非纠缠光子的波长是表示第一量子信息载体的光子的波长。
44.特别地，可以使用同一部件生成量子信息载体和非纠缠光子，特别地其中，该部件包括一个或多于一个激光器。
45.第一量子信息载体和非纠缠光子可以经由同一通信通道、特别是同一光纤或自由空间链路从第一装置被发送到第二装置。
46.该方法还可以包括以交替的方式发送非纠缠光子和第一量子信息载体。
47.本发明还提供一种系统，包括至少一个单链路量子中继器，所述单链路量子中继器包括作为该单链路量子中继器的第一节点的第一设备、作为该单链路量子中继器的第二节点的第二设备以及作为该单链路量子中继器的中央站的装置。该装置被配置为从第一节点和第二节点接收非纠缠光子，使用从第一节点和第二节点接收的非纠缠光子来进行干涉测量，以及将干涉测量的结果发送到第一节点和/或第二节点。该装置还被配置为从第一节点接收第一量子信息载体，从第二节点接收第二量子信息载体，以及使用第一量子信息载体和/或第二量子信息载体进行贝尔状态测量。
48.第一设备和/或第二设备可以具有上述特征中的一个或多于一个特征。
49.由于在第一设备和/或第二设备中进行的增强的量子相位补偿，这种系统可以有效率地用在量子网络中。
50.该系统还可以包括如以上指定的附加设备和装置。特别地，可以提供设备和装置以形成量子网络，其中，各个设备是节点的一部分，并且其中，节点各自由中央站连接。特别地，系统可以包括量子中继器链，各个量子中继器包括两个节点和中央站。
51.该系统可以包括所连接的多个单链路量子中继器，其中多个单链路量子中继器被以链布置。该系统可以被配置为：
52.a)进行纠缠过程以使链中的各个单链路量子中继器的第一节点和第二节点处存储的量子信息载体纠缠，
53.b)进行纠缠交换过程以使链中的第一个单链路量子中继器的第一节点中存储的量子信息载体与相邻的单链路量子中继器的第二节点中存储的量子信息载体纠缠，
54.c)重复步骤b)，直到链中的第一个单链路量子中继器的第一节点中存储的量子信息载体与链中的最后一个链路量子中继器的第二节点中存储的量子信息载体纠缠。
55.步骤a)的纠缠过程可以包括在各个单链路量子中继器的中央站处进行贝尔状态测量。
56.步骤b)的纠缠交换过程可以包括使用第一个单链路量子中继器的第二节点处存储的量子信息载体和相邻的单链路量子中继器的第一节点处存储的量子信息载体进行贝尔状态测量。
57.术语“单链路量子中继器被连接”应被理解为使得在一个单链路量子中继器的第二节点与相邻的单链路量子中继器的第一节点之间存在链路。特别地，这意味着可以使用一个单链路量子中继器的第二节点处和相邻的单链路量子中继器的第一节点处存储的量子信息载体来进行贝尔状态测量。
58.例如，一个单链路量子中继器的第二节点可以与相邻的单链路量子中继器的第一节点位于同一位置。在这种情况下，可以容易地进行步骤b)的纠缠交换过程。然而，一个单链路量子中继器的第二节点也可以位于相邻的单链路量子中继器的第一节点的远程位置处。在这种情况下，两个节点可以经由合适的通信链路(诸如光纤或自由空间链路)连接。与单链路量子中继器的中央站相对应的装置也可以位于两个节点之间。
附图说明
59.现在将结合附图描述有利实施例。
60.图1示意性地示出量子网络；
61.图2示意性示出量子网络的节点；
62.图3示意性示出量子网络的中央节点；
63.图4示意性示出单链路量子中继器的操作；以及
64.图5示意性地示出量子网络。
具体实施方式
65.图1示意性地示出可以使用本发明的量子网络1。量子网络1包括第一节点2、第二节点3和中央节点4。在所示的实施例中，第一端节点2和第二端节点3各自连接到量子计算
机5。节点2、3和4形成单链路量子中继器，其中中央节点4为量子中继器的中央站。节点2和/或节点3可以是如上所述的用于量子通信的设备。虚线指示节点2和3可以与中央节点4通信。
66.图2示意性地示出量子网络的节点100。节点100可以是如图1中所示的节点2和3之一。节点100包括用于纠缠光子对的源101、量子存储器102、发送器103、接收器104、以及相位校正装置105。
67.源101包括一个或多于一个激光器106。除了用于生成纠缠光子对之外，激光器106还被配置为生成经典光学脉冲，即，非纠缠光子的脉冲。激光器106可以被配置为生成具有从十皮秒到几百微秒的持续时间的脉冲。优选地，激光器106生成具有一微秒的持续时间的脉冲。
68.可以在振幅和/或频率方面调制激光器106。特别地，节点100可以包括用于调制激光器106的波长的频率调制器。频率调制器可以控制激光电流以及/或者使用电光和/或声光调制器来调制激光器106的波长。激光的波长可以在光学通信体制中，特别是在1260nm与1675nm之间。然而，其他波长也是可能的。
69.量子存储器102是能够存储量子状态(特别是量子位)、同时保持它们的特性的装置。合适的量子存储器102的示例是掺杂稀土离子的晶体、固态器件或包括点缺陷的金刚石、激光冷却的或温蒸气的原子集合。量子存储器102的其他可能的实施例是例如光纤的卷轴和/或镜组件。
70.发送器103被配置为将光子发送到远程装置，诸如图1中所示的中央节点4。接收器104被配置为从远程装置(诸如图1中所示的中央节点4)接收信息。在所示实施例中，接收器104是用于光学信号的接收器。然而，接收器104也可以是用于电子信号的有线或无线接收器。
71.量子相位校正装置105是能够对量子信息载体应用相位校正的装置。特别地，量子相位校正装置105被配置为将相位校正应用于量子信息载体s，该量子信息载体s本地保留在设备100处。
72.在一个实施例中，量子相位校正装置105可以将相位校正应用于量子信息载体s，同时量子信息载体s被存储在量子存储器102中。举例而言，如果氮空位(nv)中心被用作量子存储器102，则可以使用适当的微波脉冲来应用相位校正。然而，其他类型的量子存储器以及应用相位校正的相应方法是可能的。
73.在另一实施例中，量子相位校正装置105对量子信息载体s应用相位校正，同时已经从量子存储器102中检索到量子信息载体s。这可以例如通过使用相位调制器来实现。
74.在操作中，源101生成包括量子位s和i的纠缠状态。在所示的实施例中，量子位s和i由源101生成为纠缠光子对。然后量子位s在节点100处本地存储在量子存储器102中，并且经由发送器103将量子位i发送到远程装置，例如图1所示的中央节点4。下面将参考图4更详细地描述操作。
75.图3示意性地示出量子网络的中央节点200。中央节点200可以对应于图1所示的中央节点4。可以看到，中央节点200包括接收器201、干涉仪202、处理器203、贝尔状态测量装置204以及发送器205。
76.接收器201被配置为接收光子，特别地，从该量子网络中的其他节点(诸如图1中所
示的节点2和3)接收光子。接收器201可以接收表示量子信息载体的光子以及包括非纠缠光子的经典光子脉冲。接收器201被配置为将表示量子信息载体的光子发送到贝尔状态测量装置204，并且将经典光子脉冲发送到干涉仪202。
77.干涉仪202是被配置为干涉来自量子网络中的两个节点的经典光子脉冲并且生成干涉图案的装置。干涉仪202可以例如包括分束器。处理器203被配置为分析由干涉仪202生成的干涉图案，以确定来自两个端节点的经典光子脉冲之间的相对相位。
78.存在本领域通常已知的确定相对相位的许多方式。例如，中央节点200可以与量子网络中的其他节点之一通信，以利用参考射频来调制其经典光脉冲的频率。通过基于参考射频来分析干扰图案，处理器203然后可以确定相移。另一可能性将是在中央节点处使用相位调制器(图3中未示出)以调制来自端节点之一的到达的经典光脉冲的相位。通过扫描相位并且分析对干扰图案的影响，处理器203也可以提取相对相位。处理器203还配置为经由发送器205将与相对相位以及由此潜在的必要相位校正有关的信息发送到端节点中的任一个。
79.贝尔状态测量装置204被配置为对从量子网络中的其他节点发送到中央节点200的量子信息载体i进行贝尔状态测量。贝尔状态测量装置204可以是本领域通常已知的任何这种装置。贝尔状态测量装置204还被配置为经由发送器205将与贝尔状态测量的结果有关的信息发送到端节点。
80.发送器205被配置为向量子网络中的其他节点发送信息。发送器205可以是光学发送器。然而，它还可以是有线或无线电子发送器。
81.图4示意性地示出用于量子网络1中的相位补偿的方法。量子网络可以对应于图1中所示的量子网络1。节点2和3可以是如图2中所示的节点。中央节点4可以是图3中所示的中央节点。
82.节点2和3各自生成包括量子信息载体s和i的纠缠对。来自各个节点2和3的相应量子载体i被传送到中央节点4。相应量子载体s在其相应的节点处被存储在量子存储器102中。节点2和3还生成经典光脉冲300。经典光脉冲300从节点2和3发送到中央节点4。虽然为了清楚起见，脉冲300和量子信息载体i的传输路径在图4中示出为分开的路径，但是应注意，同一传输路径优选地用于脉冲300和量子信息载体i。特别地，经典脉冲300和量子信息载体i经由同一光纤或同一自由空间链路从节点2被发送到中央节点4。类似地，经典脉冲300和量子信息载体i经由同一光纤或同一自由空间链路从节点3被发送到中央节点4。
83.中央节点4确定来自节点2的经典脉冲300与来自节点3的经典脉冲之间的相对相位δθ。中央节点4还确定来自节点2的量子信息载体i和来自节点3的量子信息载体i的贝尔状态测量的结果。
84.中央节点4将关于相对相位δθ的信息发送到节点之一，在所示的实施例中，发送到节点2。中央节点还将贝尔状态测量的结果通信到节点2和3。
85.节点2从中央节点4接收关于相对相位δθ的信息。节点2然后可以基于关于相对相位δθ的信息将相位校正应用于量子信息载体s。
86.图5示意性地示出量子网络500的另一实施例。所示的量子网络500包括单链路量子中继器501、502、503和504。然而，应当理解，量子网络500中的单链路量子中继器的数量不限于四个。量子网络500可以包括任意数量的单链路量子中继器。单链路量子中继器501
包括第一节点501a、第二节点501b和中央站501c。类似地，单链路量子中继器502包括第一节点502a、第二节点502b和中央站502c。单链路量子中继器503包括第一节点503a、第二节点503b和中央站503c，单链路量子中继器504包括第一节点504a、第二节点504b和中央站504c。相应的第一节点和第二节点中的一个或多于一个可以是如图2所示的节点。相应的中央站中的一个或多于一个可以是图3中所示的中央节点。
87.单链路量子中继器被连接。特别地，在单链路量子中继器501的第二节点501b与单链路量子中继器502的第一节点502a之间存在链路。该链路可以是直接链路，例如如果节点501b和502a位于同一位置。然而，节点501b和502a也可以经由附加中央站(未示出)连接。附加中央站可以是如图3中所示的中央节点。在任何速率下，该连接使用存储在节点501b和502a处的量子信息载体来实现贝尔状态测量。
88.其余的单链路量子中继器以类似的方式彼此连接。换言之，可以使用存储在节点502b和503a以及节点503b和504a处的量子信息载体来进行bell状态测量。
89.在操作中，存储在各个单链路量子中继器501、502、503和504的第一节点和第二节点中的量子信息载体被纠缠。此后，使用存储在节点501b和502a处的量子信息载体进行贝尔状态测量，使得第一节点501a和第二节点502b处的量子信息载体变得纠缠。然后，使用存储在节点502b和503a处的量子信息载体进行贝尔状态测量，使得第一节点501a和第二节点503b处的量子信息载体变得纠缠。最后，使用存储在节点503b和504a处的量子信息载体进行贝尔状态测量，使得第一节点501a和第二节点504b处的量子信息载体变得纠缠。由此，网络的第一节点501a和最后节点504b处的量子信息载体被纠缠并且可以用于量子通信。应注意，所描述的纠缠过程并非全部都必须顺序地进行。例如，纠缠在第一节点501a和第二节点502b处的量子信息载体的过程可以与纠缠存储在节点503b和504a处的量子信息载体的过程同时执行。在这种情况下，纠缠存储在节点502b和503a处的量子信息载体的过程将直接导致存储在第一节点501a和最后节点504b处的量子信息载体之间的纠缠。
90.此外，中央站501c、502c、503c和504c以及任何附加的中央站可以连续地进行干涉测量以确定相位校正，如上文参考图3所描述的。所测量的相位校正可以在各个单链路量子中继器的相应的第一节点和第二节点处应用。然而，也可以跟踪并集中聚合各个站的相位校正，然后仅在第一节点501a和/或最后节点504b处应用相位校正。
91.虽然图5中所示的量子网络500例示了网络的链状拓扑，但是应当理解，该拓扑仅仅是说明性的。诸如星形拓扑、环形拓扑、网状拓扑等的其他拓扑也是量子网络500的可能拓扑。
92.尽管已经单独地描述了本发明的先前讨论的实施例和示例，但是应理解的是，也可以以不同的方式组合上述特征中的一些或全部。以上讨论的实施例特别地并不旨在作为限制，而是用作例示本发明的特征和优点的示例。
93.引起本技术的项目已经收到来自欧盟地平线2020研究和创新计划的资助(根据授予协议号820445)以及来自分配给加泰罗尼亚feder运营计划2014-2020的欧洲区域发展基金(erdf)的资助，得到了加泰罗尼亚自治区行政管理部大学研究秘书处针对新兴技术集群致力于研究成果价值化和转移(quantumcat 001-p-001644)的支持。

技术特征：
1.一种用于量子网络(1)中的量子通信的设备(100)，所述设备(100)被配置为：创建包括第一量子信息载体(i)和第二量子信息载体(s)的量子信息载体纠缠对；将所述第一量子信息载体(i)发送到远程装置(200)；将所述第二量子信息载体(s)存储在量子存储器(102)中；从所述远程装置(200)接收与所述第一量子信息载体(i)的传输有关的关于相位校正的信息；以及将所述相位校正应用于所述第二量子信息载体(s)。2.根据权利要求1所述的设备(100)，还被配置为：在所述第二量子信息载体(s)被存储在所述量子存储器(102)中和/或正从所述量子存储器(102)检索所述第二量子信息载体(s)时，将所述相位校正应用于所述第二量子信息载体(s)，或者在已经从所述量子存储器(102)检索到所述第二量子信息载体(s)时，将所述相位校正应用于所述第二量子信息载体(s)。3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其中，所述第一量子信息载体(i)由光子或光子模式表示。4.根据权利要求3所述的设备(100)，还被配置为将非纠缠光子(300)发送到所述远程装置(200)，其中，关于所述相位校正的信息是所述远程装置(200)基于从所述设备(100)发送到所述远程装置(200)的非纠缠光子(300)确定的。5.根据权利要求4所述的设备(100)，其中，所述非纠缠光子(300)的波长是基于表示所述第一量子信息载体(i)的光子的波长确定的，特别地其中，所述非纠缠光子(300)的波长是表示所述第一量子信息载体(i)的光子的波长。6.根据权利要求4或5所述的设备(100)，其中，所述设备(100)被配置为使用同一部件(101)、特别是激光器(106)，来生成所述量子信息载体纠缠对和所述非纠缠光子(300)。7.根据权利要求4至6所述的设备(100)，其中，所述设备(100)被配置为经由同一通信通道、特别是同一光纤或同一自由空间链路，将所述第一量子信息载体(i)和所述非纠缠光子(300)发送到所述远程装置(200)。8.根据权利要求4至7中任一项所述的设备(100)，其中，所述设备(100)被配置为以交替的方式发送非纠缠光子(300)和第一量子信息载体(i)。9.一种用于量子网络(1)中的量子相位补偿的方法，包括：由第一装置(100)、特别是根据权利要求1至8中任一项所述的设备，创建包括第一量子信息载体(i)和第二量子信息载体(s)的量子信息载体纠缠对；从所述第一装置(100)向第二装置(200)发送所述第一量子信息载体(i)；由所述第一装置(100)将所述第二量子信息载体(s)存储在量子存储器(102)中；由所述第一装置(100)接收与所述第一量子信息载体(i)的传输有关的关于相位校正的信息；以及由所述第一装置(100)将所述相位校正应用于所述第二量子信息载体(s)。10.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述相位校正应用于所述第二量子信息载体(s)包括：在所述第二量子信息载体(s)被存储在所述量子存储器(102)中和/或正从所述量子存
储器(102)检索所述第二量子信息载体(s)时，将所述相位校正应用于所述第二量子信息载体(s)，或者在已经从所述量子存储器(102)检索到所述第二量子信息载体(s)之后，将所述相位校正应用于纠缠的量子信息载体(s)。11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述第一量子信息载体(i)由光子或光子模式表示。12.根据权利要求11所述的方法，还包括：从所述第一装置(100)向所述第二装置(200)发送非纠缠光子(300)；由所述第二装置(200)基于从所述第一装置(100)发送到所述第二装置(200)的所述非纠缠光子(300)来确定关于所述相位校正的信息。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述非纠缠光子的波长是基于表示所述第一量子信息载体(i)的光子的波长确定的，特别地其中，所述非纠缠光子(300)的波长是表示纠缠的所述第一量子信息载体(i)的光子的波长，特别地其中，所述量子信息载体纠缠对和所述非纠缠光子(300)是使用同一部件(101)、特别是激光器(106)生成的。14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述第一量子信息载体(i)和非纠缠光子(300)经由同一通信通道、特别是同一光纤或同一自由空间链路，从所述第一装置(100)被发送到所述第二装置(200)。15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，还包括以交替的方式发送非纠缠光子(300)和第一量子信息载体(i)。16.一种用于量子通信的系统(1)，所述系统(1)包括至少一个单链路量子中继器，所述单链路量子中继器包括：作为所述单链路量子中继器的第一节点(2)的根据权利要求1至8中任一项所述的第一设备；作为所述单链路量子中继器的第二节点(3)的根据权利要求1至8中任一项所述的第二设备；以及作为所述单链路量子中继器的中央站(4)的装置，所述装置被配置为：从所述第一节点(2)和所述第二节点(3)接收非纠缠光子(300)；使用从所述第一节点(2)和所述第二节点(3)接收的非纠缠光子(300)进行干涉测量；将所述干涉测量的结果发送到所述第一节点(2)和/或所述第二节点(3)；从所述第一节点(2)接收第一量子信息载体；从所述第二节点(3)接收第二量子信息载体；以及使用所述第一量子信息载体和/或所述第二量子信息载体进行贝尔状态测量。17.根据权利要求16所述的系统，包括所连接的多个单链路量子中继器，其中，所述多个单链路量子中继器以链布置，其中，所述系统被配置为：a)进行纠缠过程以使所述链中的各个单链路量子中继器的第一节点(2)和第二节点(3)处存储的量子信息载体纠缠，b)进行纠缠交换过程以使所述链中的第一个单链路量子中继器的第一节点(2)中存储的量子信息载体与相邻的单链路量子中继器的第二节点(3)中存储的量子信息载体纠缠，c)重复步骤b)，直到所述链中的第一个单链路量子中继器的第一节点(2)中存储的量
子信息载体与所述链中的最后一个单链路量子中继器的第二节点(3)中存储的量子信息载体纠缠。18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述系统被配置为：基于各个单链路量子中继器的各个中央站(4)处的干涉测量来确定聚合的相位校正，以及将聚合的相位校正通信到所述链中的第一个单链路量子中继器的第一节点(2)和/或所述链中的最后一个单链路量子中继器的第二节点(3)以用于相位补偿。

技术总结
本发明涉及用于量子通信的设备和系统及量子相位补偿方法。本发明提供了用于量子网络(1)中的量子通信的设备(100)，该设备被配置为：创建包括第一量子信息载体(i)和第二量子信息载体(s)的量子信息载体纠缠对，将第一量子信息载体(i)发送到远程装置(200)，将第二量子信息载体(s)存储在量子存储器(102)中，从远程装置(200)接收与第一量子信息载体(i)的传输有关的关于相位校正的信息，以及将相位校正应用于第二量子信息载体(s)。应用于第二量子信息载体(s)。应用于第二量子信息载体(s)。


技术研发人员：D
受保护的技术使用者：光子科学研究所基金会
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/8/24