7、量子网络中的光学稳定性与量子态制备

量子网络中的光学稳定性与量子态制备

1. 量子网络中的光学稳定性

在量子网络里，通信链路通常采用光学方式。因此，当远程信号与本地量子态相互干扰或作用时，光学稳定性就成为了一个核心问题。例如在量子中继网络的纠缠交换协议中，如果远程制备的量子比特之间的纠缠操作出现误差，那么所制备的分布式纠缠态也会受到影响。

在实验室环境下，模式失配和光子可区分性能够得到高精度的控制。然而在实际的网络应用中，由于长距离通信信道的不可控性，要实现状态的完美对齐是一项极具挑战性的任务。这种挑战可能以多种形式出现：
- 光纤 ：温度的微小变化会导致折射率或物理尺寸改变，从而使光脉冲发生时间位移。
- 卫星 ：要精确测量与快速移动目标之间的距离，达到光子波包的尺度，是一项极其艰巨的任务。
- 自由空间（包括通过卫星） ：大气中不可预测的温度和压力波动会导致光速的不可预测变化。

为了应对这些问题，我们需要了解不同网络协议对光学稳定性的敏感程度。光子干涉主要有两种形式，它们在光学不稳定的情况下表现出不同的特性：
- Hong - Ou - Mandel（HOM）干涉 ：两个不同光子在分束器处的干涉。
- Mach - Zehnder（MZ）干涉 ：单个光子在干涉仪中通过多条路径时的自干涉。

2. 光子波包

在详细讨论光学干涉之前，我们需要对所涉及的光波包进行定义。假设光波包具有高斯时间包络，宽度为σ（相干长度），并由载波频率ω₀（波长