21、量子通信中的纠缠纯化与长距离传输

量子通信中的纠缠纯化与长距离传输

1. 量子通信概述

量子通信利用信息载体的量子特性来实现特定通信目的，例如量子密码学中的安全密钥分发，以及网络中远程量子计算机之间的通信。然而，量子通信面临一个核心问题，即如何通过有噪声的量子信道忠实地传输未知量子态。当信息通过像光纤这样的信道传输时，信息载体与信道相互作用，会导致退相干现象，使得原本纯净的量子态在离开信道时变成混合态。但为了实现量子通信，传输的量子比特需要保留其真正的量子特性，比如与信道另一端的量子比特保持纠缠。

2. 处理噪声信道的方法

目前有两种成熟的方法来应对噪声信道问题：
- 量子纠错理论 ：主要是为了克服退相干和设备不完善的影响，使量子计算成为可能。由于数据传输和数据存储都可视为计算过程的特殊情况，所以量子纠错也可用于通过噪声信道进行量子通信。
- 混合纠缠态纯化 ：与量子纠错理论大致同时发展起来。这种方法允许在不同位置创建粒子的最大纠缠态，即使连接这些位置的信道有噪声。纠缠粒子可用于可靠的量子隐形传态或基于纠缠的量子密码学中的安全密钥分发。纠缠纯化是量子通信的一种特定且高效的工具，通过利用各方之间的经典通信，它可以实现高效的双向协议，这是量子纠错程序无法实现的。

3. 长距离量子通信的挑战

长距离量子通信中，连接各方的信道长度通常远大于其相干长度。在这种情况下，如果重复量子纠错过程中使用的门和测量的保真度低于 100%，误差的积累会成为严重问题。容错量子计算理论提供了一个通用解决方案，它表明如果每个门操作的误差概率足够小，任何计算都可以在一定的内存空间和时间开销下完成。这意味