48、量子中继器：实现长距离量子通信的关键技术

量子中继器：实现长距离量子通信的关键技术

1. 量子通信的挑战与量子中继器的提出

在量子通信和量子信息处理领域，通过有噪声的量子信道可靠传输量子信息是一个重大问题。长距离高保真传输的主要障碍之一是信道噪声和吸收随距离呈指数增长。由于量子信号既不能被克隆也不能被放大，经典通信技术中的标准方法（如信号放大或使用中继站）无法直接应用。

一种基于量子纠错的方法是使用冗余编码，将每个逻辑量子比特编码到多个物理量子比特中。虽然这种方法所需资源随距离仅呈多项式增长，但对测量、本地控制操作和信道噪声的要求非常严格。在噪声影响变得过大之前（信道错误率不得超过约 10⁻²），就需要进行纠错，这限制了本地节点之间的距离，并且本地操作的可接受错误率（约为 10⁻⁵ - 10⁻⁴）远低于当前实验技术可达到的精度。

另一种替代方法基于纠缠纯化和量子隐形传态。该方法将在有噪声信道上传输任意未知量子态的问题，转化为在两个通信伙伴之间建立最大纠缠对（或高保真度对）的任务。通过将最大纠缠态的部分通过有噪声的量子信道发送，可以得到多个非最大纠缠态的副本，然后使用纠缠纯化协议进行后处理，以获得数量较少但保真度更高的纠缠对。

在理想的本地控制操作下，可以蒸馏出完美的最大纠缠纯态，从而实现有噪声量子信道上的可靠传输。然而，纠缠纯化可成功应用的可接受信道噪声是有限的，例如对于去极化信道，输出对的保真度必须大于 1/2。噪声和损耗随距离的指数依赖限制了信道的最大长度，但相比于依赖量子纠错技术，这种方法可以实现更长的距离。

对于长距离通信，应将信道分割成足够短的段，以建立各段上的最大纠缠对，然后使用纠缠交换创建更大距离上的最大纠缠对。但在实际场景中，考虑到不完美的本地操作，通过纠缠纯化创建