基于微腔固态自旋系综体系的量子中继操控机理研究

The project aimed at the uncertainty and the polarization channel noise of the quantum repeater in the process of entanglement distribution and entanglement swapping, we propose the manipulated mechanism of deterministic quantum repeater based on the solid-spin ensemble embedded in the microcavity using collective excitation effect of the interaction between solid-spin ensemble and optical field, unique information coding method and successful warning mechanism, which suppresses channel polarization noise, establishes the long-distance high-fidelity entangled channel, and solves the problem of probability in the process of the entanglement distribution and entanglement swapping. Sequentially, the manipulated mechanism of high-capacity quantum repeater is proposed assisted by solid-spin ensemble, which not only saves quantum resources, improves communication efficiency, and increases channel capacity, but also provides a new solution for hyperparallel quantum computation with multiple interactions. At last, multiuser quantum repeater is investigated, which is conducive to expanding the spatial scale of entanglement channel and the number of client, and providing the useful theoretical support for quantum repeater protocol from this project.

该项目针对量子中继在纠缠分发和纠缠转移过程中的不确定性和易受信道噪声影响，利用微腔固态自旋系综体系与光场相互作用的集体激发效应，独特的信息编码方式和成功的预警机制，研究基于微腔固态自旋系综体系的确定性量子中继操控机理，可以抑制光子信道噪声，建立远距离、高保真度的纠缠信道，解决了纠缠分发和纠缠转移过程中概率性的问题；利用光子系统多个自由度蕴含高容量的特性，研究微腔固态自旋系综体系辅助下高容量的量子中继操控机理，不仅节省量子资源，提高通信效率和增加信道容量，更为多重相互作用的超并行量子计算提供一种新的解决思路；研究基于微腔固态自旋系综体系的多用户量子中继操控机理，能够扩展纠缠信道的空间尺度和增加客户端的数量，为有效的实现量子中继网络提供理论支持。

该项目针对目前量子中继在纠缠纯化过程中易受信道噪声影响，利用微腔固态自旋体系与光场相互作用，以及独特的信息编码方式和成功的预警机制，研究基于微腔固态自旋系综体系的可避错的量子中继操控机理，可以消除光子信道噪声，建立远距离、高保真度的纠缠信道，解决了目前纠缠纯化过程中宇称检测门和交换门概率性的问题；利用光子系统多个自由度蕴含高容量的特性，研究微腔固态自旋体系辅助下高容量的量子纯化模型，不仅节省量子资源，提高通信效率和增加信道容量，更为多重相互作用的超并行量子计算提供一种新的解决思路；设计辅助超纠缠态的超纠缠蒸馏模型，具有提高超纠缠蒸馏的成功概率和降低量子资源的消耗等特点；设计基于测量的超纠缠蒸馏模型，用以抑制超编码光量子态的传输损耗和失真；研究消耗辅助自由度，优化量子计算的方法；设计模块化光量子计算模型，可用于模块化量子计算和模块化量子通讯；研究多光子两自由度避错超并行量子计算，如设计了三光子两自由度超并行Toffoli门和Fredkin门模型，以及多控制比特超并行Toffoli门和Fredkin门模型，具有超并行性、扩充信道容量、节省资源、降低光子耗散噪声影响、加速计算、对物理系统不完美操控免疫等特点。

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