观点纠缠核粒子对一代在量子通信和密码学和操纵系统

文摘

两个量子元素之间的纠缠现象提供了一个广阔的应用范围,主要使用在量子密码方案和宇宙的物理描述。俗称取得了纠缠态光子和电子,但其他量子元素如夸克、轻子,和中微子显示信息的潜力。在本文中,我们目前的角度利用纠缠的现象出现在核粒子的相互作用为量子密钥分发协议作为资源。

1。介绍

量子纠缠一直被证明是最足智多谋的方法实现可行,高保真量子密钥分发增长距离(1- - - - - -6]。利用纠缠可以使用多个可见,实验一个实际的多功能性。偏振纠缠态(7),非常容易获得,很难操作在不同的媒体传播时,其如光纤。另一方面,time-bin纠缠更难获得,但操作要求,如温度、极化,和传播速度,更容易实现。量子密钥分发(8,9]方案已应用于普通量子位核相互作用而导致的可能应用于量子比特。实现量子密钥分发的常规方法是生成量子元素光子和操纵它们如获得所需的量子密钥分发的运作状态。在这个程度上,量子密钥分发可以获得使用单一或纠缠状态,因为两者的性质,有设计了两个不同的协议,提取信息从生成的状态。第一个协议(8),由查尔斯•班纳特和Gilles Brassard-BB84采用单一光子状态,没有之间的相干信息值。传送可见光子的极化,两个参与者进行本地操作的,也就是说,在分析矢量旋转基地和经典通信的两个参与者交流的一部分信息运营商获得的值或分析检测到单个国家的基地。第二个协议(9),阐述了由阿图尔Ekert-Ek91,来源于BB84协议但不同于它的基本方式:采用二维的,最大纠缠态,也叫贝尔。纠缠态的使用主要优势,源提供参与者不需要发射机的特定设置的一部分。因此,参与者可以分享随机密钥由一个专门的加密服务器。任何量子密钥分发协议使拦截器检测成为可能,通过验证任何外国的量子位错误率测量诱导到美国准备的两个参与者。量子位错误率通过计算原始密钥后获得的直接验证单一国家沟通或执行标准钟测量,为了建立纠缠后质量沟通的关键。最优攻击(9)是最有效的在当前天诱导大约15%的错误率。因此,如果在密钥分发不同的两个参与者有两个键超过15%,他们谈话的计数下降一个拦截器通道上被发现。

在实际安装中,纠缠态被认为是有利于单状态,只要不需要任何参与者在这个设置采用昂贵的设备。一个大缺点,然而,由于no-cloning定理,创建的纠缠态不能复制。而纠缠自然不会腐烂,去极化和热交互状态容易破坏创建长沟通的距离。实现安全的量子密钥分发的距离几公里的单模光纤(10- - - - - -12),虽然有前途,长途通信可能是太多的常规光子纠缠态的通信。为了克服这个障碍,可以考虑使用其他信息载体,传播表现比光子。这项任务的最佳人选是中微子,众所周知,它穿过任何媒介没有吸收,使长途通信一个非常可行的想法。本文的目的是为了突出的角度使用纠缠核双量子密钥分发协议。本文的结构如下。部分2涵盖了纠缠态的理论背景和量子密钥分发协议,部分3介绍了实验装置的纠缠光子对,部分4治疗的角度采用核粒子纠缠态。最后,结论部分5。

2。理论背景

大自然的量子描述了理想实验的结果(13),这表明量子元素表现出粒子和波的双重行为,可以投射到期望状态取决于类型的测量。量子态的主要优势是任何正交基和,所有的量子态可以被描述为两个状态的叠加,。的概率振幅和满足的关系——归一化方程。的二维的情况下,表示复合状态是写成。任何化合物状态,可以映像到化合物称为分离状态。然而,一些物理量子元素之间的相互作用产生的形式(7] 不能分解为它们的化合物。这些都是正式定义为纠缠态。之间的相关性的州举行任何量子元素之间的距离,和他们的整个一生不应该外部发生破坏性的交互。为,可以获得最大纠缠或钟状态。

之间的分离和纠缠态是一个重要的先决条件的应用。使用的最一般的方法是贝尔不等式的验证(10,11]。它已经表明,所有可分国家尊重的关系 与测量信息的实验值的两个系统变量和,结果。纠缠态违反这个不等式,屈服 为最大限度地纠缠或钟状态。

量子密钥分发协议使用量子态来产生自然和纯粹的随机密钥,进一步可以应用到加密方案如弗纳姆密码协议。除此之外,任何偷听者听在传输的通信将跟踪钥匙量子位错误率的形式,这种速度应大于15%。见图1,Ekert协议由一对纠缠光子源发送最大纠缠态两个参与者(称为Alice和Bob)。他们选择分析传入的光子在三个传统的角度- 22.5°,45°,67.5°。爱丽丝使用22.5°、45°,而鲍勃使用45°和67.5°。常见的极化角是集检测原始密钥将用于加密,而其他两个角是用于验证的贝尔不等式。根据类型的纠缠源供应,Alice和Bob将理想情况下获得相同或互补的原始的钥匙。纠缠的质量可以通过随机选择国家测量计算22.5°和67.5°的角度分析和计算贝尔不平等。偷听的协议导致退化的纠缠,在某种程度上,对话被删除。

代的是通过不同的方法对不同的量子纠缠态元素。的光子,代polarization-entangled光子是通过自发参量downconversion (SPDC),发生在二阶非线性光学媒体或量子点实验。SPDC的案例中,一个光子泵立即转换成两个极化纠缠光子这方面的能量和动量守恒定律14,15]: 在指数,,表示泵、信号和惰光子。纠缠态范围从一代的效率来,导致泵的纠缠光子对率几百毫瓦。自然,守恒定律适用于固定频率几乎不可能维持不变。这种效应被称为相匹配。在一些非线性光学媒体,非线性光学易感性符号改变了在一些地区,导致建立一个局部特征波数满足的关系: 因此,见图2,这取决于建设性的参数,可以实现所需的相匹配的问题。

3所示。一对纠缠光子源的实验

所有之前的考虑,一对纠缠光子源,提供多达1100双/ s构造(16- - - - - -22),与竞争的操作参数。生和净可见性分别为97%和99.5%,取得了,贝尔参数为2.8。完整的源设置如图3。源的布局由2-Watt Ti: Sa激光抽运长3.5厘米,周期性极化铌酸锂波导6μ米立杆,获得II型纠缠光子对效率。生成的一对然后通过标准电信光纤传输设备检测模块,两个超现代的InGaAs雪崩二极管,以封闭的模式运行,注册的巧合23- - - - - -26]。

为了成功传输生成的纠缠态,信号和惰光子相同的其他测量除极化;否则国家本质上是毁灭。进行了操纵光子通过光谱和时间重叠。光谱重叠一直通过稳定波导温度0.1°C。光谱已经过滤使用两个相邻集中ITU渠道密集的宽度分多路复用器,确保,如果检测到光子在一个过滤器窗口,另一个是确保在互补。因此,确定性postselection光子获得如图4(一)。时间重叠获得通过使用一个简单的high-birefringence偏振保持光纤,用于弥补之间的延迟两种不同速度的光子波导。这个解决方案见图4 (b)和4 (c)。

检测模块标准钟测量安排,包括半waveplate,一个偏振分束器和一个雪崩光电二极管在每个方面,和苏蕾巴比内相位补偿器放置在两个模块之一。两个光敏二极管在封闭的经营模式,以减少暗计数如下:当爱丽丝的光电二极管记录一个光子,打开命令鲍勃的光电二极管,在一系列的电子设备。鲍勃的一边有一个延迟线光子的偏振分束器足够长的时间后,通过它传播花一样打开命令信号所需的时间达到鲍勃的光电二极管。贝尔测量由爱丽丝不得不进行修复她的不同分析角度分析基础,然后在鲍勃的一边。四个固定的测量进行了分析基地,源产生很好的操作参数显示在图5。

4所示。纠缠与核粒子

成功的纠缠光子的量子密钥分发方案让位给雇佣其他元素的角度信息持有者(17]。核粒子,特别是中微子,几乎没有吸收在任何媒体,因此能够通过任何环境中传播,在很远的地方。其他粒子,如μ介子和轻子,现在几乎相同的吸收模式通过媒体。纠缠中微子州可以生成的衰变交互: 如图6与合作夥伴,两人最后的象征和几乎平行的动量,因此相同的螺旋性。这使得总自旋相互作用的波函数对称。费米子的反对称性质意味着味道波函数应该是反对称的。两个发射中微子的波函数形式 我们有相应的贝尔不等式 在哪里表示,,是进化的时间左右。象征着情况three-flavor触发右边都反驳道。在这种情况下,中微子口味扮演的偏振光,而时间变化的角色之间的角度在光子实验(21,22,27]。

进一步的研究表明,存在一个自然的量子密钥分发协议纠缠中微子,应该四个探测器从源的距离是相同的。纠缠态使符合计数在爱丽丝和鲍勃的球队或。如果一个偷听者使测量在Alice和Bob的中微子和重新发送状态,整体状态变成了产品的状态或。为了不被发现,偷听者必须位于相同的味道计数和都是零。因此,只要偷听者的探测距离小于上面考虑,不能获得任何信息而不被发现。这是一个相当于房地产传统的量子密钥分发协议BB84或Ek91等。

除了轻子衰变过程中,中微子可以产生的μ介子衰变过程中,所描述的 测量的检测模块中,可以观察到μ介子比,众所周知,宇宙μ介子通量和μ介子电荷比中微子流量密切相关。在较低的能量,μ介子的轨迹受到地球磁场的影响。因此测量电荷比率,获得微中子通量定量信息。

从检测的角度,核粒子需要显著更大、更复杂的检测装置。如果光子,商用珀尔帖效应冷却InGaAs雪崩二极管是足以实现一个好的关键利率,中微子探测进行了归纳,通过检测μ介子的味道和记录的衰变时间停止探测器。分离的积极和消极的μ介子,衰减观测之前,使用的是磁光谱仪。这样一个探测器,包含20个模块,每个1 m²面,每一个都由一个活跃的层,3厘米厚闪烁体,波长过滤器,和光电阴极构成威利检测阶段18- - - - - -20.]。这个阶段与旋转模块已得到改进,通过消除铅层。转子的机械框架使探测器能够移动方位和天顶。最小化暗计数可以通过使用反符合模块。

延长空气淋浴miniarray (EAS)是检测系统的一部分,负责测量子电荷比率由初级宇宙线与大气之间的相互作用。它由十二个检测站点放在约50米从主探测器。每个车站由四个闪烁体盘子,读双重的PMT通过波长移相器。背后的电子方案的探测器阵列由阈值鉴别器,设置在−50 mV,提供作为输出逻辑信号通过FPGA电路。从FPGA,每个两个信号是通过一个或逻辑门,然后有选择地多路复用。由此产生的信号然后美联储TDC和QDC采集设置。然而探测器的正常运行时间,范围从趋近于几百天,为了采集数据统计正确的解释。

5。结论

总结前面部分所描述的所有的想法,成功的角度扩展技术用于光子量子密码协议核粒子的发现成为一个迫在眉睫的现实可用核纠缠态。核相当于自发downconversion可用于生成flavor-entangled中微子,这表现出非凡的传播通过所有媒体属性,从而克服long-distance-entangled状态退化的障碍。此外,由于中微子之间有明显的联系和其他核粒子如μ介子,可以建立一个可观测的检测这两个核通量之间的关系。子之间的连接由一个正比例进料比和neutrino-entangled状态,它可以利用量化问题建立原始关键利率。实验数据获得设置确认理论问题的可行性和量子密钥分发的应用范围扩展到核领域。

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