一种容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法

本发明属于量子纠错，尤其涉及纠缠态的制备，特别是一种容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法。

背景技术：

1、在实际的量子信道和量子存储设备中，由于各种噪声和量子自身的相干性，极易引发量子信息出错，要实现量子信息有效存储和传输，则需要采取量子纠错这个必要手段。由于单个物理量子比特出错的随机性，使用逻辑量子比特来解决硬件的不完美导致的计算错误问题。

2、当前可以实现量子比特的物理系统主要包括离子阱、超导量子比特、量子点和金刚石nv色心。其中金刚石内的nv色心由于具有稳定性高、相干时间长等优点受到广泛关注。nv色心是金刚石中的晶体学缺陷，它提供了一个由电子自旋和核自旋组成的混合自旋物理体系。nv色心的电子自旋和核自旋可以在室温下利用微波或激光进行操控、初始化和读取。nv色心的电子自旋可以与光子纠缠，并且在实验上已经实现远距离nv色心之间的量子隐形传态，因此nv色心被认为是一个很有前途的制备量子纠缠的固态物理系统的主要候选者。

3、要实现量子纠错，逻辑量子比特纠缠态的制备成为了首要任务。对此，国内外专家进行了广泛的研究。2018年，火箭军工程大学基础部提出了在金刚石nv色心自旋系统与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案，可以高保真度地实现两个分离量子节点之间的量子纠缠。但是超导量子电路电子自由度高，导致错误率高。为了保障退相干时间，超导量子比特必须在接近绝对零度的真空环境下运行。这不仅要求超导体系必须要有强大的低温制冷系统，还在一定程度上限制了量子比特的拓展。2021年，zhihao xie通过调控高维时间模式自由度和极化模式自由度的编码方式提出了基于单个光子传输制备多对非局域量子纠缠态的方法。但该纠缠态不具有纠错性。2022年，量子计算公司quantinuum的研究人员通过在一个使用实时量子纠错的容错电路中纠缠逻辑量子比特，在实验上首次演示了在两个逻辑量子比特之间的纠缠门，并以完全容错的方式使用实时纠错完成，标志着逻辑量子比特性能优于物理量子比特。但是其逻辑量子比特纠缠态制备环境与具有稳定性高、相干时间长等优点的金刚石nv色心系统相比并不占优势。

4、综上所述，现阶段制备的物理比特纠缠态普遍不具有纠错性，且制备出的逻辑比特纠缠态对系统工作环境要求苛刻，稳定性不如金刚石nv色心系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用一个高维编码的单光子来在两个远距离节点形成逻辑比特的同时让两个逻辑比特形成纠缠态的方案，以此来解决单个物理比特因容易受到环境中噪声的影响而难以执行可靠的量子计算的问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1，一个初始极化状态为|d0>的光子与一个节点的第一个nv色心s1相互作用，之后进入t1系统进行光子状态编码；

4、步骤2，光子与所述节点的第二个nv色心s2相互作用，之后进入t2系统中进行光子状态编码，编码完成后，光子只存在|d>极化状态；

5、步骤3，光子与所述节点的第三个nv色心s3相互作用，之后进入t′1系统中进行光子状态编码，实现|a>极化状态之间不同自由度的交换，之后再与所述节点的第四个nv色心s4进行相互作用后形成第一个逻辑比特；

6、步骤4，光子通过远距离传输到达另一个节点，之后进入t″1系统进行光子状态编码，使每一个|a>极化状态转变为存在不同自由度的|d>极化状态；

7、步骤5，光子依次与所述另一个节点的第八个nv色心s8、第六个nv色心s6、第七个nv色心s7、第五个nv色心s5相互作用，并在其中依次经过t′2系统、t3系统、t′3系统进行编码，在该节点形成逻辑比特的同时，实现两个节点之间逻辑比特的纠缠，同时，通过测量当前光子的极化状态，判断对应的纠缠态；其中t3系统用于实现|a>极化状态到|d>极化状态的转变，t′2系统、t′3系统用于实现|a>极化状态之间不同自由度的交换。

8、进一步地，步骤1中光子与第一个nv色心s1相互作用，具体包括：当s1内的电子自旋状态为|g>时，光子的极化状态不变；当s1内的电子自旋状态为|e>时，光子的极化状态翻转，变为极化状态|a0>。

9、进一步地，所述t1系统、t2系统均包括极化分束器pbs、半波片h和光学开关；

10、t1系统中，在极化分束器pbs的作用下，光子的|a0>极化状态射向半波片h，且随后增加一个时间自由度的延迟，使得|d0>极化状态变为|d1>极化状态，之后在光学开关os1的作用下，将|d0>和|d1>极化状态合并到一个空间模式中；

11、t2系统中，将光子的|a0>和|a1>极化状态分别变为|d2>和|d3>极化状态，之后经过光学开关os2合并到一个空间模式中。

12、进一步地，步骤3中所述t′1系统为：利用极化分束器和光学开关将光子带有不同时间自由度的|a>极化状态进行交换，实现|a0>和|a3>，|a1>和|a2>之间极化状态的互换，此时，三个nv色心和光子融合；其中，|a2>、|a3>极化状态分别为光子与所述节点的第二个nv色心s2、第三个nv色心s3相互作用的结果。

13、进一步地，步骤4中所述t″1系统为：利用极化分束器、半波片和光学开关对光子的|a>极化状态添加不同的时间自由度并转化为|d>极化状态，实现将光子的|at>极化状态编码为|d7-t>极化状态，此时，四个nv色心与光子融合；其中t＝0，1，2，3。

14、进一步地，步骤5中通过测量当前光子的极化状态，判断对应的纠缠态，具体包括：

15、步骤5-1，基于测量的当前光子的极化状态，将经过八个nv色心与编码系统后的叠加态坍塌成与测得的光子极化状态所对应的逻辑比特纠缠态，由此确定八个nv色心共同组成的逻辑比特纠缠态；

16、步骤5-2，基于所述逻辑比特纠缠态，进行单个比特的相位翻转，得到有容错能力的逻辑比特纠缠态。

17、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

18、(1)仅利用一个单光子即实现远距离节点之间逻辑比特纠缠态的制备，使得光子在传输信道中的高损耗对该方案的制备效率的限制降低，能制备出具有高容错性的逻辑比特纠缠态。

19、(2)制备逻辑比特的纠缠态基于金刚石nv色心体系，其具有较长的相干时间，在室温条件下能够达到毫秒量级，对于编码在nv色心基态的量子比特，不仅能够利用激光对其进行初始化、测量和读取，还可以通过微波对其进行量子操控，具有很高的应用价值。

20、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

技术特征：

1.一种容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法，其特征在于，步骤1中光子与第一个nv色心s1相互作用，具体包括：当s1内的电子自旋状态为|g>时，光子的极化状态不变；当s1内的电子自旋状态为|e>时，光子的极化状态翻转，变为极化状态|a0>。

3.根据权利要求2所述的容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法，其特征在于，所述t1系统、t2系统均包括极化分束器pbs、半波片h和光学开关；

4.根据权利要求1所述的容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法，其特征在于，步骤3中所述t'1系统为：利用极化分束器和光学开关将光子带有不同时间自由度的|a>极化状态进行交换，实现|a0>和|a3>，|a1>和|a2>之间极化状态的互换，此时，三个nv色心和光子融合；其中，|a2>、|a3>极化状态分别为光子与所述节点的第二个nv色心s2、第三个nv色心s3相互作用的结果。

5.根据权利要求1所述的容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法，其特征在于，步骤4中所述t”1系统为：利用极化分束器、半波片和光学开关对光子的|a>极化状态添加不同的时间自由度并转化为|d>极化状态，实现将光子的|at>极化状态编码为|d7-t>极化状态，此时，四个nv色心与光子融合；其中t＝0,1,2,3。

6.根据权利要求1所述的容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法，其特征在于，步骤5中通过测量当前光子的极化状态，判断对应的纠缠态，具体包括：

7.基于权利要求1至6任意一项所述方法的容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备系统，其特征在于，所述系统包括：

技术总结
本发明公开了一种容错逻辑量子比特非局域量子纠缠态制备方法，包括：在两个远距离的节点中，首先利用单光子与一个节点内的四个物理比特依次作用，每作用一个物理比特都要通过线性光学元件对光子编码，改变它的极化状态并且添加时间延迟信息，形成由四个物理比特构成的逻辑比特以及光子与逻辑比特之间的杂化纠缠；然后将光子远距离传输，依次与另一节点中的物理比特作用，再次形成一个逻辑比特。最终将光子与逻辑比特的纠缠转化为两个逻辑比特之间的纠缠。通过对光子状态的测量以及对物理比特的翻转，本发明可以利用一个高维编码的单光子制备出具有高容错性的逻辑比特非局域纠缠态，可以大幅降低传输损耗，节省量子资源。

技术研发人员：梁焱森,李亚宸,李佳仑,解志浩,李涛
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14