Кодирование временного интервала

Кодирование временного интервала — это метод, используемый в квантовой информатике для кодирования кубита информации в фотоне . Квантовая информатика использует кубиты в качестве основного ресурса, аналогичного битам в классических вычислениях . Кубиты — это любая двухуровневая квантовомеханическая система; существует множество различных физических реализаций кубитов, одна из которых — кодирование по времени.

Хотя метод кодирования временных интервалов очень устойчив к декогеренции , он не обеспечивает простого взаимодействия между различными кубитами. Таким образом, он гораздо более полезен в квантовой коммуникации (например, квантовой телепортации и квантовом распределении ключей ), чем в квантовых вычислениях .

Создание кубита, закодированного с временным интервалом

Кодирование временного интервала осуществляется путем прохождения одиночного фотона через интерферометр Маха – Цендера (MZ), показанный здесь черным цветом. Фотон, идущий слева, направляется по одному из двух путей (показаны синим и красным); наведение может осуществляться по оптоволокну или просто в свободном пространстве с помощью зеркал и поляризационных кубов . Один из двух путей длиннее другого. Разница в длине пути должна быть больше, чем длина когерентности фотона, чтобы можно было однозначно различить пройденный путь. Интерферометр должен сохранять стабильную фазу, а это означает, что разность длин путей должна изменяться гораздо меньше, чем длина волны света во время эксперимента. Обычно для этого требуется активная стабилизация температуры.

Если фотон выбирает короткий путь, говорят, что он находится в состоянии $|0\rangle$ ; если он идет по длинному пути, говорят, что он находится в состоянии $|1\rangle$ . Если фотон имеет ненулевую вероятность выбрать любой путь, то он находится в когерентной суперпозиции двух состояний:

|\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle ,

Эти когерентные суперпозиции двух возможных состояний называются кубитами и являются основным компонентом квантовой информатики .

В общем, легко изменить фазу, приобретаемую фотоном между двумя путями, например, растягивая волокно, тогда как гораздо сложнее изменять амплитуды, которые поэтому фиксированы, обычно на уровне 50%. Созданный кубит затем

|\psi \rangle ={\frac {|0\rangle +e^{i\phi }|1\rangle }{\sqrt {2}}},

который охватывает только подмножество всех возможных кубитов.

Измерение в $\{|0\rangle ,|1\rangle \}$ Основа делается путем измерения времени прибытия фотона. Измерения в других базах можно достичь, пропустив фотон через вторую MZ перед измерением, хотя, как и в случае с подготовкой состояния, возможные настройки измерения ограничены лишь небольшим подмножеством возможных измерений кубитов.

Декогеренция

Кубиты временного интервала не страдают от деполяризации или дисперсии мод поляризации, что делает их более подходящими для применения в волоконной оптике, чем для поляризационного кодирования. Потерю фотонов легко обнаружить, поскольку отсутствие фотонов не соответствует разрешенному состоянию, что делает его более подходящим, чем кодирование на основе числа фотонов.

Ссылки

Марсикич И.; Де Ридматтен, Х.; Титтель, В.; Скарани, В.; Збинден, Х.; Гисин, Н. (2002). «Запутанные кубиты с временным интервалом для квантовой связи, создаваемые фемтосекундными импульсами». Физический обзор А. 66 (6): 062308. arXiv : quant-ph/0205144 . Бибкод : 2002PhRvA..66f2308M . дои : 10.1103/PhysRevA.66.062308 . S2CID 118932433 .
Донохью, Джон М.; Агнью, Меган; Лавуа, Джонатан; Реш, Кевин Дж. (2013). «Когерентное сверхбыстрое измерение фотонов, закодированных с временным интервалом». Письма о физических отзывах . 111 (15): 153602. arXiv : 1306.1250 . Бибкод : 2013PhRvL.111o3602D . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.153602 . ПМИД 24160599 . S2CID 42286193 .
Мартин, А.; Кайзер, Ф.; Вернье, А.; Бевератос, А.; Скарани, В.; Танзилли, С. (2013). «Фотонная запутанность между временными интервалами для распределения квантовых ключей». Физический обзор А. 87 (2): 020301. arXiv : 1207.6586 . Бибкод : 2013PhRvA..87b0301M . дои : 10.1103/PhysRevA.87.020301 . S2CID 11312035 .
Марсикич И.; Де Ридматтен, Х.; Титтель, В.; Збинден, Х.; Легре, М.; Гисин, Н. (2004). «Распределение запутанных кубитов с временными интервалами на расстоянии 50 км оптического волокна». Письма о физических отзывах . 93 (18): 180502. arXiv : quant-ph/0404124 . Бибкод : 2004PhRvL..93r0502M . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.180502 . ПМИД 15525142 . S2CID 13120600 .
Питтман, Тодд (2013). «Настало хорошее время для кубитов с временными интервалами» . Физика . 6 : 110. Бибкод : 2013PhyOJ...6..110P . дои : 10.1103/Физика.6.110 . hdl : 11603/19318 .
Гюндоган, Мустафа; Ледингем, Патрик М.; Кутлуер, Кутлу; Мацзера, Маргарита; Де Ридматтен, Хьюг (2015). «Твердотельная спин-волновая квантовая память для кубитов временного интервала». Письма о физических отзывах . 114 (23): 230501. arXiv : 1501.03980 . Бибкод : 2015PhRvL.114w0501G . doi : 10.1103/PhysRevLett.114.230501 . ПМИД 26196784 . S2CID 17555337 .