4、量子信息的光学编码与量子网络中的误差分析

量子信息的光学编码与量子网络中的误差分析

1. 光学编码在量子通信中的重要性

光学在量子通信网络中扮演着核心角色。虽然全光学量子计算不太可能成为未来可扩展量子计算机的架构，但光子具有天然的“飞行”特性，能轻松实现长距离传输，而像超导电路这样包含信息的实体要在瞬间从澳大利亚传输到莫桑比克则极具挑战。此外，光学状态在很多情况下相对容易制备、操控和测量，还能与其他物理量子系统方便地接口，实现量子信息从光通信系统到更适合特定任务的架构的转移。

2. 光学编码的多种方式

2.1 单光子编码

单光子具有远距离下退相干小的优点，例如在自由空间中偏振自由度的去相位可以忽略不计。但单光子易丢失，依赖多个单光子态的协议成功率会随光子数量增加呈指数衰减。
单光子编码单量子比特有以下几种方式：
- 偏振编码 ：利用水平和垂直偏振自由度，每个光子可编码一个量子比特，即水平和垂直偏振分别代表逻辑 |0⟩ 和 |1⟩ 态。
- 双轨编码 ：将单个光子置于两个空间模式的叠加态。
- 时间-bin 编码 ：离散的时间窗口在被光子占据时代表逻辑基态。
其逻辑量子比特的等价表示如下：
[
\begin{align }
|\psi\rangle_{qubit} &\equiv \alpha|0\rangle_{L} + \beta|1\rangle_{L}\
|\psi\rangle_{pol} &\equiv \alpha|H\rangle + \beta|V\r