量子中继器

量子通信由于其独特的绝对安全功能，越来越受到各国学者的重视。在长距离量子通信系统中，可以依靠事先建立的、空间分离的两体“ 理想” 纠缠纯态传输信息，它们是量子通信的重要资源。但是，由于量子通信系统与信道的相互作用，会引起系统中纯态的相干性衰减，从而丧失了各益加成分之间的相对因子的确定性，使各叠加成分的内部相位差的随机性增加。

于是寄托在这种内部相干性上的t 子信息就会衰减,这种衰减随着信息传输距离的增加而增加， 最终，使得量子信息传输失败，因此需要在长距离系统中使用量子中继器。

一般来说，经典通信中，在利用中继技术恢复信号的能量同时，起了两个方面的作用：一方面恢复了信号的传输特性，另一方面表示信息的比特也随之得到了恢复。与经典中继器不同，量子中继器不是一个放大器，需要利用盆子态的纠缠与交换来实现量子中继功能。

量子通信中的信息载体一童子信号具有量子特性，传输和最终检测的核心部分不是能量而是信号的某种量子状态。研究表明，量子信号的状态同时受到经典噪声和量子嗓声的影响，这些噪声会导致量子比特的退相千现象发生，从而导致信息丢失，使得量子通信不能正常进行。另一方面，经典噪声使得t 子信号的传输特性不断衰减，导致量子信号不断变弱，最终难以检测。

因此，量子中继应该具有两个方面的功能：

1、通过补充量子信号的能量实现量子信号的稳定传输

2、在补充量子信号能量的同时,，保证量子信号携带的量子比特不发生改变

对于使用纠缠源的量子通信系统来说，首先借助量子中继技术建立起一个长距离的量子信道,在此基础上，利用所建立的量子信道的量子特性实现安全的量子信号传输。

因此, 在这种通信模式中，不会由于量子中继的加入而导致量子通信中信息的丢失。不过，这种通信模式的重要前提条件是，量子中继不会导致量子信道原有特性的改变。例如，若采用量子中继技术，量子通信协议中纠缠光子对的最大纠缠性不能发生改变。

根据上述特征，这种通信模式下的量子中继技术必须发挥两个方面的作用：

一是补充信号的能量

二是维持量子信道的原有特性

大多数物理学家提出的量子中继器方案中含有CONT，运算，但当前还没有实现能够达到误差不超过百分之几的能用于长距离量子信道的CONT运算。

因此, 采用只利用线性光学器件的方案，以纠缠光子对作为量子信息的传送通道，采用量子中继器的目的是增加高品质纠缠光子对的作用距离。通过对短程纠缠光子对进行纠缠纯化和纠缠交换，得到高纠缠度的长程纠缠光子对。从而建立起长距离的量子信道。

2015年8月中国科学技术大学人员设计了一种新型的量子中继方案。基于量子点双激发的级联过程，提出实现可扩展的量子点纠缠光源方案，可构建新型的量子中继器。

2017年10月31日从中国科技大学获悉，该校潘建伟教授及其同事在国际上首次利用参量下转换光源实现了基于线性光学的量子中继器中的嵌套纠缠纯化和二级纠缠交换过程。这两项成果论文分别发表于国际学术期刊《自然·光子学》和《物理评论快报》上。

潘建伟团队在多光子纠缠制备和操纵方面一直处于世界领先地位。本次工作则基于八体纠缠光源，首次演示了嵌套量子纠缠纯化和级联量子纠缠交换。通过巧妙地设置贝尔态测量装置，不仅能完全消除纠缠交换过程中的双光子干扰项，同时还保留分发量子态进一步可操纵性。结合使用光纤模拟量子存储以及测量反馈装置，成功地实现了可扩展量子中继器的光学演示。

这一开创性的工作使得基于参量下转换光源构建量子中继器的可行性获得了进一步的验证。该技术还可直接应用于基于原子系综的量子中继器。

这两项工作均在国际上逾越了以往只能演示量子中继器中单次纠缠操纵的长期技术障碍，首次实现了对量子态的连续纠缠操控，成功基于线性光学系统发展了可扩展量子中继器技术。基于该技术，以往量子纠缠交换过程中阻碍分发态被进一步相干操作的主要噪声可以被自动剔除，这为将来实现基于原子系综的可扩展线性光量子中继器提供了前瞻性的技术指引。