49、量子中继器与光 - 原子系综量子接口

量子中继器与光 - 原子系综量子接口

1. 量子中继器概述

量子中继器是长距离量子通信的基础工具，在可扩展量子计算设计中也有潜在应用。虽然目前尚未有完全运行的量子中继器的实验实现报告，但量子中继器所需的重要部分已通过实验得到验证。这些验证实验包括：
- 几十公里范围内纠缠对的生成
- 纠缠交换
- 纠缠纯化

这些实验均使用纠缠光子进行。鉴于误差阈值约为百分之一的适度水平，按需可靠地创建长距离纠缠似乎是可行的。

2. 光 - 原子系综量子接口的重要性

光 - 原子量子接口是量子网络的重要组成部分。光虽然是自然的长距离信息载体，但由于其传播过程中的退相干，难以长时间保持编码在其中的信息。在最佳情况下，以最优电信波长在光纤中传播的光，会在 100 微秒内损失一半的光子。为了实现光量子态的更长存储时间，需要将其忠实地转移到原子量子态上，因为原子的相干性和存储时间要长得多。

光 - 原子接口的另一个重要动机是互连量子网络中遥远的原子节点。例如：
- 原子态的长距离隐形传态
- 量子态的两步转移：先从原子样本 A 转移到光，再从光转移到遥远的原子样本 B

3. 光 - 原子系综量子接口的特点

本文所讨论的光 - 原子接口具有确定性，其结果不依赖于概率事件，如在特定模式下检测光子。虽然概率型光 - 原子相互作用也是量子信息处理的重要组成部分，但仅靠它无法实现上述通信和存储目标。

本文将重点关注通过光与原子系综的自由空间相互作用实现的量子接口。这种方法是光与单个原子接口的有力替代方案。基于腔量子电动力学框架开发的光与单个原子的接口，需要原子