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1、混合超导体-光量子中继器的制作方法专利名称：混合超导体-光量子中继器的制作方法技术领域：本申请一般涉及改进的数据处理装置和方法，更具体地说，涉及混合超导体-光量子中继器机构、采用这种混合超导体-光量子中继器机构的装置/系统、以及实现和利用这种混合超导体-光量子中继器机构的方法。背景技术：量子计算机是一种根据亚原子级粒子的行为来进行计算的计算设备。就量子计算机来说，数据单元，即，量子位或者说“qubit”能够同时存在不止一种状态，从而允许量子计算机具有彼此独立存在的多条“思路”，即使它们都与同一组粒子相关联。这样，量子计算机能够有潜力实现每秒数百万条指令(MIPS)，高于已知的非量子计算系统。量
2、子位是二进制数字或者比特，与经典计算机的类似，但是能够同时具有多个值。 实质上，量子位可被看作具有多维的粒子，每一维可具有或高或低的状态，例如，逻辑1或逻辑0状态。从而，两个量子位可具有4个同时并且独立的状态(00，01，10和11)。在分布式量子计算环境中，在远程位置之间传送量子位数据的能力是一个重要因素。就这样的分布式系统来说，可通过光导纤维或其它介质来传输光子，以把量子信息从一个量子计算机传送到另一个量子计算机。然而，这种传输通常经受信号损失和相干性损失。 例如，如在 Munro 等人的Quantum Repeater ,WO 2007/021945A2 (申请日 2006 年 8 月
3、11 日)中所述，当沿着普通光纤传输IOkm时，光学信号受到1. 9dB的损耗，使得单个光子的丢失概率可能为50%。关于重复或冗余量子状态的损失和退相干效应能够产生有噪声的纠缠状态，该状态可在有限距离内可靠地传送量子信息，但较大距离的传输一般需要量子中继器。量子中继器是一种公知的设备(参见Duan等人的“Long-Distance Quantum Communication with Atomic Ensembles and Linear Optics，Nature 414, 413-418 (2001)，它允许通过纠错，把沿着有噪声的通道传输的量子位(被认为呈光子的形式)大部分恢复到它们的原
4、始传输量子状态。中继器一般被预想成通过把光子变换成另一种基于物质的形态而使光子暂停来实现这一点(参见Pellizzari等人的“Decoherence Continuous Observation, and Quantum Computing:A Cavity QED ModelPhys. Rev. Lett. 75，3788 (1995)，所述另一种基于物质的形态构成量子存储器(在目前的实验提议 ,RWiWM ( #JAL Moehring AW Entanglement of Single-Atom Quantum Bits at a Distance”，Nature 449，68-71
5、(2007 年 9 月 6 日)，或者半导体量子点(van Loock 等人的“Hybrid Quantum Repeater Using Bright Coherent Light, Phys. Rev. Lett. 96, 240501(2006)在存储器中时，这些量子位经受一些量子逻辑运算，所述量子逻辑运算用于进行各种已知的量子奇偶校验，所述量子奇偶校验允许检测和校正差错的出现。在这些校正步骤之后，恢复的量子状态再次经受实施例的变换，以及量子信息在另一个通道上前进。输入通道或输出通道可以是隐形传态通道，这意味着光子在与通过应用Bell式量子测量而传送的量子信息的方向相反的方向上行进，之后
6、是沿着正向方向的经典信息的传输。量子中继器是量子信息处理系统中的关键元件。它的预想应用是(1)它可被用于提高距离和安全量子密码术能够按其工作的密钥生成速率；(2)它能够为其它加密任务，包括秘密共享、量子数据隐藏、量子解锁和量子数字签名提供可靠的长距离量子通信； (3)它能够实现可利用量子传输高效进行的其它长距离通信任务，包括远程存储器分配 (取样复杂性)和远程约定调度；和(4)量子中继器可被用于分配任何形式的量子计算，使得例如可通过互联每个包含比方说IO5量子位的小型处理器的网络，来完成需要IO9纠缠量子位的素数分解问题。目的在于获得量子中继器的许多以前的研究专注于具有也被光学处理的固定量子位
7、的系统。(在Pellizzari等人的文献中说明的)初期理论工作预想使传送的光子进入光学腔，并使之与捕获的离子或原子相互作用。后续工作将此扩大到包括捕获的原子云(参见可在 http:/arxiv. org/PS cache/Iarxiv/pdf/0802/0802. 1475vl. pdf 获得的 Sangouard 等人的Robust and Efficient Quantum Repeaters with Atomic Ensembles and Linear Optics”)，以及光学寻址的量子点(参见van Loock等人的文献)。在该工作中未设想超导量子位的使用。在超导量子位的领域，
8、设想了到GHz频率范围内的光量子的变(参见Majer等人白勺Coupling Superconducting Qubits via a Cavity Bus,Nature 449，443-447 (2007年9月27日)，然而这些工作都没有设想具有到红外或可见光频率的互变的超导量子位。发明内容在一个例证实施例中，提供了一种混合超导体-光量子中继器。所述混合超导体-光量子中继器包含被配置成经由光学通道来接收光学信号的光学子系统和与光学子系统耦接的超导体子系统。光学子系统和超导体子系统经由微波传输介质相互耦接。光学子系统被配置成经由光学通道来接收光学信号，并把光学信号的光子下变频成微波输出信号中的
9、微波光子，所述微波输出信号经由微波传输介质被输出给超导体子系统。超导体子系统保存微波光子的量子态，并沿着离开超导体子系统的输出通道传送所述微波光子。在另一个例证实施例中，提供了一种混合超导体-光量子中继器中的用于在量子计算机子系统之间传送量子位的方法。所述方法包括在混合超导体-光量子中继器的光学子系统中接收来自第一量子计算机子系统的光学输入信号。所述方法还包括把光学输入信号下变频成微波信号，从而把光学输入信号的光学波长光子映射成微波信号的微波波长光子。此外，所述方法包括把微波信号输入混合超导体-光量子中继器的超导体子系统。此外，所述方法包括把微波波长光子的量子态保存在超导体子系统中。另外，所述
10、方法包括沿着离开超导体子系统的输出通道传送微波波长光子。在另一个例证实施例中，提供一种系统，所述系统包含量子计算机子系统、耦接到量子计算机子系统的混合超导体-光量子中继器、和耦接到混合超导体-光量子中继器的干涉仪子系统。所述混合超导体-光量子中继器包含被配置成经由光学通道接收光学信号的光学子系统和与光学子系统耦接的超导体子系统。光学子系统和超导体子系统经由微波传输介质相互耦接。光学子系统被配置成经由光学通道接收光学信号，并把光学信号的光子下变频成微波输出信号中的微波光子，所述微波输出信号经由微波传输介质被输出给超导体子系统。超导体子系统保存微波光子的量子态，并沿着离开超导体子系统的输出通道传送
11、所述微波光子。本发明的这些和其它特征和优点将在本发明的例证实施例的以下详细说明中描述，或者鉴于本发明的例证实施例的以下详细说明，对本领域的普通技术人员来说将变得明显。结合附图，参考例证实施例的以下详细说明，将最好地理解本发明，及其优选应用方式和另外的目的和优点，其中图1是利用例证实施例的混合超导体-光量子中继器机构的量子计算系统的例证图；图2是按照一个例证实施例的混合超导体-光量子中继器机构的例证方框图；图3是按照一个例证实施例，示出另外的细节的混合超导体-光量子中继器的另一个方框图；图4是概述按照一个例证实施例，当按时间反转操作模式操作时，混合超导体-光量子中继器的例证操作的流程图；以及图5
12、是概述按照一个例证实施例，当按直接操作模式操作时，混合超导体-光量子中继器的例证操作的流程图。具体实施例方式例证实施例提供一种用于提供混合超导体-光量子中继器的机构。例证实施例的混合超导体-光量子中继器进行工作，从而在相隔较大距离的多个站，即，超导计算系统产生量子态的纠缠。此外，例证实施例的混合超导体-光量子中继器可操作以提供具有到红外或可见光频率的变换，并且反之亦然的超导量子位(或光子)。从而，尽管诸如在Mimro 等人的PCT申请No. WO 2007/021945A2中描述的量子中继器可能在本领域中已为人们所知，诸如这里说明的进行光和超导量子位(或光子)的互变的混合超导体-光量子中继器目
13、前并不为人们所知。图1是利用例证实施例的混合超导体-光量子中继器机构的分布式量子计算系统，或者量子通信系统的例证图。如图1中所示，分布式量子计算系统包含多个量子计算机子系统110和150。量子计算机子系统110和150是涉及超导器件的电路的超导结构。超导器件的这些电路包含Jowphson结，Josephson结能够把接收的光量子位移到电路中，使之与其它Josehpson节量子位纠缠，进行量子算法，对这些量子位进行量子测量，和利用这些测量的结果来影响该子系统或者其它远程子系统中的后续量子运算。在D. P. DiVincenzo 的The Physical Implementation of Qu
14、antum Computation，(Fortschritte der Physik48，771-784 (2000)，可从arxiv. org :quant_ph/0002077 获得)中描述了可以用作量子计算机子系统110和150中的一个或多个的这种量子计算机子系统的例子，该文献在此通过引用而并入。在量子计算机子系统110和150之间设置了用干涉仪子系统130隔开的一对混合超导体-光量子中继器120和140。经由混合超导体-光量子中继器120和140以及干涉仪子系统130，在量子计算机子系统110和150之间形成双向通信通道。每个混合超导体-光量子中继器120直接地或者通过干涉仪子系统13
15、0和另一个混合超导体-光量子中继器140间接地耦接到上游和下游量子计算机子系统。混合超导体-光量子中继器120和 140的细节将在后面提供。干涉仪子系统130作用于光学信号，并允许由两个不同的混合超导体-光量子中继器产生的两个光子的纠缠的形成。干涉仪子系统130还进行光子测量， 所述光子测量将被传送给量子计算机子系统110和150，并被量子计算机子系统110和150 用于确定是否形成了正确的纠缠，或者是否需要重传量子位编码光子。混合超导体-光量子中继器120和140都具有两个子系统，即光学子系统122、142 和超导子系统124、144。在一个流动方向上，光学子系统122、142接收具有量子位
16、编码光子的光学输入信号，并把这些光学输入信号光子(光学光子)下变频成微波波长信号光子 (微波光子)，所述微波波长信号光子被输入到超导子系统122、124。在超导子系统124、144 中，在光子上编码的量子位被保存在量子位存储器件中。超导子系统124、144通过量子位存储器件与传输介质的电容耦合，利用保存的量子位来编码微波光子，然后输出微波光子， 以便传播给量子计算机子系统。在第二个流动方向上，超导子系统124、144接收利用量子位编码的微波光子。量子位被保存在量子位存储器件中，并被用于生成输出微波光子，所述输出微波光子经由微波信号被传送给光学子系统122、142。光学子系统122、142随后把微波光子上变频成光学光子，并把光学光子输出给沿着量子通信通道的下一站，例如，光学干涉仪130。应理解，光学干涉仪130接收来自上游站和下游站，即，来自混合超导体-光量子中继器120和140两者的光子，并且这些光子被结合，从而生成一对纠缠的光子。相同频率的两个光子同时到达分束器的相对侧足以使它们纠缠。这被称为Hong-
