Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
8.6 Квантовые сети II:
Связь через зашумленные каналы
Х.-Дж.Бригель, У.Дюр, У.Дж. ван-Энк, Дж.И.Цирак, П.Цоллер
Мы покажем, каким образом можно создать перепутанные ЭПР-пары между пространственно удаленными атомами, каждый из которых находится внутри высоко-добротного оптического резонатора. Они обмениваются фотонами, в общем случае через зашумленный канал, например, по обычному оптическому волокну. Схема коррекции ошибок, которая использует несколько вспомогательных атомов в каждом резонаторе, эффективно убирает поглощение фотонов и другие ошибки, возникающие при передаче. При осуществлении связи на расстояниях во много раз превышающих длину поглощения или длину когерентности канала, мы рассмотрим новый протокол очи-
346 Очищение перепутывания
щения, который реализует аналог повторителя в классических системах связи.
8.6.1 Введение
В этом разделе будут развиты и обобщены идеи, рассмотренные в разд.6.2., будет предложена реализация квантовой сети [278], использующей долгоживущие состояния атомов - в качестве физической основы для хранения кубитов, и фотонов, как способа передачи этих кубитов от одного атома к другому. Для осуществления контролируемой передачи кубитов, атомы заключены в высокодобротные оптические резонаторы, которые соединены оптическим волокном, как показано на Рис.6.1.
Составные системы атом-волокно, вместе с лазерными импульсами, образуют то, что мы называем зашумленный квантовый канал связи, см. Рис.8.11. Когда фотоны распространяются через оптические волокна, поглощение является превалирующей ошибкой при передаче информации. Потери возникают также и при некогерентном рассеянии на поверхностях резонаторных зеркал и в местах соединений между резонаторами и волокном. Другой характерный источник ошибок вызван несовершенством лазерных импульсов, используемых для рамановских переходов. Примером ошйбки, возникающей в локальном ЛЭ, служит спонтанное излучение одного из атомов во время работы этого ЛЭ.
В данном разделе показано, как можно осуществить высококачественную связь даже в присутствии ошибок, вызванных потерями или шумом и как можно бороться с эффектами декогерентности. Прежде всего, мы кратко напомним аргументацию, приведенную в разд.6.2, которая дает возможность ввести читателя в терминологию коррекции ошибок и квантовой теории информации. В разд.8.6.3 и 8.6.4 мы сконцентрируемся на ошибках, возникающих при передаче фотонов и покажем как их можно обнаружить и исправить [393-395]. Для этого
Рис.8.11. Зашумленный фотонный канал: Типичные ошибки, возникающие при передаче, включающие поглощение фотонов, некогерентное рассеяние и несовершенные рамановские переходы.
Квантовые сети II: Связь через зашумленные каналы 347
мы предположим, что операции локальных ЛЭ и соответствующие измерения могут быть выполнены без ошибок. В разд.8.7 мы освободимся от этого допущения и рассмотрим несовершенные операции, выполняемые как локально, так и при передачах. Такой подход отражает общую ситуацию, когда мы использовали все способы коррекции ошибок, но не можем исключить вероятность того, что некоторые ошибки не были учтены и, таким образом, не исправлены. Или, когда используемые операции и измерения, в некоторых случаях, не являются точными. В таком общем контексте мы исследуем важную проблему «дальней» связи и использование квантовых повторителей [381, 387].
С формальной точки зрения выгодно представить квантовую связь, как проблему приготовления дальнодействующих квантовых корреляций, распределенных по каналу связи, вместо непосредственного распространения через канал неизвестного кубита. Как только создается ЭПР-пара, она может быть использована для телепортации [74], которая представляет собой реальную передачу информации, а также и в других целях, таких как распределение секретных ключей для квантовой криптографии [46]. Следует отметить, что такой подход отличается от квантового вычисления в том смысле, что до тех пор, пока не будет установлена ЭПР-корреляция, никакой реальной информации воспроизвести нельзя. Все, что действительно нужно сделать - это установить нелокальные квантовые корреляции, которые позже могут быть использованы в целях передачи информации. На самом деле, в этот более поздний момент, уже отпадает необходимость существования канала связи.
Предмет обсуждения этого раздела, поэтому, состоит в поиске ответа на вопрос: как приготовить ЭПР-пару между двумя участниками А и В при помощи зашумленного канала произвольной длины /, который соединяет А и В.
8.6.2 Идеальная связь
В идеальном случае схема, показанная на рис. 6.2, реализует следующую передачу:
N0b+?l1>J0>»40>.<N0>,+?l1>,]. <8 37>
где неизвестная суперпозиция состояний |0) = \е) и |1) = |g) атома в первом резонаторе передается атому В во втором резонаторе, см. Рис.8.12. Резонаторы могут составлять часть большей сети, поэтому мы часто будем обращаться к ним, как к узлу А и узлу В, соответственно. Выбранные внутренние состояния |0) и |1) атомов определяют, на языке теории квантовой информации, вычислительный базис для кубита.
