20、量子通信中的中继器技术：从经典到量子的跨越

量子通信中的中继器技术：从经典到量子的跨越

1. 量子隐形传态与纠缠交换

在量子通信领域，光子在空中飞行的实验有诸多成果。但在光纤中传输光子时，由于光子吸收问题，量子隐形传态的记录距离仅略超 100 公里。为了实现更远距离的量子纠缠分布，纠缠交换技术应运而生。

纠缠交换本质上是一种特殊的量子隐形传态，它传递的是纠缠态的一半未知状态。假设 Alice 和 Bob 想要共享纠缠，但他们距离过远，单个纠缠光子对无法直接到达双方。例如，当他们相距 200 公里时，我们可以在 50 公里和 150 公里处分别放置两个纠缠光子源 S1 和 S2，并在 100 公里处安排 Charla（C）和 Doug（D）进行贝尔测量。

• S1 产生纠缠光子对 (|\Phi^{+}\rangle_{AC} = |H\rangle_{A}|H\rangle_{C} + |V\rangle_{A}|V\rangle_{C})，将一个光子发送给 Alice，另一个给 Charla。
• S2 产生纠缠光子对 (|\Phi^{+}\rangle_{DB} = |H\rangle_{D}|H\rangle_{B} + |V\rangle_{D}|V\rangle_{B})，将一个光子发送给 Doug，另一个给 Bob。

Charla 和 Doug 对他们手中的 C 和 D 光子进行贝尔测量，测量结束后 C 和 D 光子被摧毁。他们将测量结果以两个经典比特（00、01、10、11）的形式传递给 Bob。最终，Alice 和 Bob 就能在 200 公里的距离上共享纠缠态 (|\Phi^{+}\rangle_{AB} = |H\rangle_{A}|H\r