基于量子隐形传态的确定性微波-光传输

美国亚利桑那大学的研究人员提出了一种基于连续变量量子隐形传态的转换方案，实现了微波和光学频率之间的复杂量子态转换。相关研究发表在《Physical Review Applied》上。

通过高效的量子通信渠道，量子网络被设想为高性能量子处理器。量子处理器需要单量子级的强非线性相互作用，这可以通过超导电路中微波频率的约瑟夫森效应实现。然而，室温下的高衰减和热噪声阻止了量子态在微波频率下长距离的直接传输。相比之下，光学光子是在室温下远距离传输量子信息的理想候选者，具有接近零的热噪声和低衰减。然而，由于微弱的光学非线性，发展高保真的确定性量子门具有大的挑战。微波和光学光子具有互补性，这就需要建立一个混合量子平台，在这个平台上，量子信息由超导电路处理，并与光学光子一起传输。因此，需要一种有效的方案在微波和光学光子之间相互转换量子态。

微波和光学频率之间量子态的相干转换已经在各个科学领域相继报道，包括纳米力学、电光、磁振子、稀土离子晶体和冷原子。无论物理实现如何，在所有方案中都使用相互作用哈密顿量在微波和光学频率之间直接转换量子态，它在频域中执行分束器操作。然而，高保真量子态转换系统需要高效率、低附加噪声，这仍然是一个挑战。除了直接传输，量子通信还可以通过共享纠缠和经典通信有效实现。最近的一项研究提出了一种方案，建立时间元纠缠并执行隐形传态，以在微波和光学频率之间传输时间元编码的量子位。然而，与直接转换不同，简单的时间元纠缠无法转换复杂的量子态，如cat态和Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）态，这是对抗损耗和噪声的稳健量子操作所必需的。时间元纠缠产生的概率性质也使得实现高转换率变得困难，这个问题可以通过使用连续变量量子隐形传态来解决。

图 1. (a) 基于隐形传态的转导方案示意图。 虚线框表示微波模式 m^ 和光学模式 a^ 之间的纠缠产生。 (b) 微波域和光域之间的纠缠产生。 紫色表示光泵，蓝色表示微波模式，红色表示光模式。

为此，研究工作人员提出了一种基于连续变量量子隐形传态的电光转换系统。与直接转换方案相比，可靠的量子信息传输可以通过任意小的协作性来实现，而直接转换方案则需要大的最小协作性。由于直接的相互作用，他们使用一个腔电光系统作为该方案的物理实现。首先，他们表明，由于零量子容量，直接转换在较小的协同性下完全无法完成这一任务。相比之下，所提出的基于隐形传态（a）的方案在相同条件下展示了非常可观的量子态转换速率。该系统可以在0.2开尔文下工作，具有强大的抗热噪声性能。与其他系统相比，这是通过消除中间激励来实现的。他们进一步考虑了在量子信息处理中广泛使用的三种状态下的转导性能，即相干状态、cat 状态和有限压缩 GKP 状态，并表明基于隐形传态的方案可以实现更高的保真度。基于隐形传态的转导方案中，所需的操作都可以在微波和光学域中轻松地实现，使当前的实验条件下高效的微波光学转导成为可能。

该方案克服了直接转换方案中的低协同性障碍，并在量子容量和态转移性能方面提供了明显的优势。大大降低了对器件的要求，使微波和光学频率之间的量子转换在不久的将来成为可能。在应用方面，除了纠错之外，这种传输方案还可以应用于微波量子照明和测距等传感协议。