[发明专利]基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到大规模量子通信网络领域，特指一种基于大规模单原子腔体量子网络的组网方法。

背景技术

量子通信是量子论和信息论相结合的产物，是通信和信息领域研究的前沿。其中，量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术是现今发展比较成熟的量子通信技术。量子密钥分发能够在两个远距离通信方之间绝对安全的共享密钥，这个过程是由量子力学的不可克隆原理和测不准原理保证而不是经典密钥分配所依赖的计算复杂度，从而让密钥系统的安全性提高到了一个新的高度。目前有限节点(n≤10)的量子密钥分发网络已经得到实现部署。量子密钥分发网络在民用领域和军事领域均有着广泛的应用前景。

当前所实现的量子密钥分发网络大致可以分为三类：基于无源光学器件的、基于可信中继的和基于量子中继器的。基于无源光学器件的量子密钥分发网络其节点可以利用光学开关、波分复用器件、同时采用时分复用技术、频分复用技术等来实现。

利用经典光学器件(例如光分束器/合束器。光开光，光波分复用设备等)在网络节点处构造的量子密钥分发网络可以实现多用户之间的量子密钥分发；其网络拓扑结构有环型、总线型、树型、星型等。

由信任节点构成的量子密钥分发网络是利用多个“点到点”量子密钥分发装置为链路，在节点处利用信任的中继方来进行“路由”而组成的量子密钥分发网络。在这种网络中，每组密钥在相邻两个节点之间进行独立分发。信任中继是在现实技术条件下对点对点量子密钥分配的网络扩展模式，其核心目标是利用点到点量子密钥分发技术来建立任意长距离的安全通信，这种网络节点由信任方进行中继量子密钥，即信任节点功能是独立地存储、发送、以及管理生产的密钥。

目前利用纠缠光子对进行密钥传输，在光纤中有效距离可达100km，在自由空间内有效距离可达144km。光子吸收和去相干随信道长度指数衰减，经典通信中可以利用中继器来放大和重生信号。量子的特殊物理特性，直接对量子信息进行操作是不行的，由此提出了量子中继器的概念。利用纠缠光子对的纠缠交换等一系列操作来扩展量子密钥的最大分发距离。基于量子中继器的量子密钥分发网络是构建未来全球量子密钥分发网络的基础也是必然发展趋势。

由于量子状态的不可克隆和测不准原理，以上类型的量子网络实现都是由点对点量子链路构成的，也就是只能实现点对点之间的量子密钥分发，无法实现类似经典通信网络中远距离通信方之间，可以经过多个中间节点的信息传递和分发功能。目前已经实现的量子网络中，量子节点内部无存储功能，量子信息无法在不同量子节点之间进行“存储-转发-存储…”操作，进而无法通过中间量子节点来完成远距离通信方之间的量子密钥分发功能。

为了克服量子信息在量子信道传输过程中衰落，利用量子节点代替光学节点对量子信息进行变换能够有效的提高传输距离，具有这种功能的量子节点通常称之为量子中继器(Quantum Repeater)。量子节点间的链路传输利用纠缠光子源为信息载体进行密钥分发。这些纠缠光子到达节点时不免夹杂部分噪声，为了使得在这些链路之间传输的纠缠光子具有非常好的纠缠性能，需要利用量子存储器，量子非破坏测量技术，以及纠缠纯化技术来提高纠缠光子对的纯度。在经典通信网络中，为了能够扩展量子状态在链路中的传输距离，基于原子系综和线性光的量子中继器得到广泛关注和研究。利用原子之间的纠缠来存储光子之间的纠缠，原子系综可以作为量子中继器内部所需的量子存储器。

有从业者提出了一种基于光腔体的原子-光子量子接口的实现，使用它来纠缠一个原子和一个光子。然后，把原子的量子状态映射到第二个光子，也就是单个静止原子作为量子存储器，单个飞行的光子作为量子使者。

理想的光量子存储器：1.能够接收和重造光量子比特；2.能够比其他经典设备更好的存储未知量子比特。目前量子存储器的发展：单光量子和物质之间的信息交换。这种存储器用于实际应用的根本好处：1.反对不可避免的损耗和有限的效率，可以采用预示机制，通过测量状态的方法，来指示一个光子的存储是否成功；2.允许独立的量子比特操作。

最新研究表明这种量子存储器的基本实现：通过映射光的偏振状态到一个原子或者从原子读出，这个原子是受困在光腔中的。采用全量子过程层析成像来分析性能，平均保真度达93％，低消相干速率使得存储时间可达180μs。这使得该系统可用于量子门和量子中继器。