CN101189627A - 量子相干系统和操作 - Google Patents

Abstract

非线性元件(200)可有效地实现量子信息处理系统，如受控移相器(400)、包括宇称检测器(1290)的非吸收检测器、量子子空间投影(600)、非吸收贝尔态分析器(800)、非吸收编码器/纠缠器(1200)以及如CNOT门(1300)的基本量子门。非吸收检测器(1640、1650)通过允许在多次穿过概率门(1720)期间重复利用相同的光子资源而允许对概率量子门(1720)的效率进行改进。

Description

量子相干系统和操作

背景技术

量子信息处理通常包括处理或使用量子态以存储或传递信息或者实施计算。各种具有量子态的系统已被提出或用于量子信息处理。例如，光学系统可处理光量子态以执行特定的量子信息处理任务。

基于具有由光检测引发的非线性的线性光学元件和前馈系统的量子计算机体系结构最初是由E.Knill、R.Laflamme和G.J.Milburn在“一种利用线性光学部件进行有效量子计算的方案”(“A Scheme forEfficient Quantum Computation with Linear Optics，”Nature 409，47(2001))中提议的。尽管这个提议证明了线性光学部件量子计算(LOQC)在原理上是可能的，但是基于此方法的可扩展系统需要不切合实际地多的量子资源用于可靠的操作。对Knill等人的提议的改进已经被开发(并且通过试验证明)需要较少的资源，但是这些较新的提议禁止随机表现的量子电路元件。例如，由T.B.Pittman、B.C.Jacobs和J.D.Franson在“利用偏振分束器的概率量子逻辑操作”(“Probabilistic Quantum Logic Operations Using Polarizing BeamSplitters，”Phys.Rev.A64，062311(2001))中描述的量子受控非门需要的资源少于由Knill等人提出的对应系统，但是不能进行确定性操作。

由Pittman等人提议的系统利用一个或多个输入光子量子位和第一组辅助光子量子位的测量。测量结果允许从与第一组辅助光子量子位纠缠的第二组辅助光子量子位选择一个或多个光子量子位。关于此技术的问题是所选择的输出光子量子位具有对正在实施的门是错误的固有概率。系统未能产生正确输出的概率通常为75％(假定为理想光检测器)。此种具有若干这样的门的线性量子光学计算机因此是极端浪费离线量子资源(如纠缠的光子)的并且对于复杂系统可能是不切合实际的。例如，包括若干线性光学量子门的量子电路可通过并行操作那些门来进行计算；当这些门适当运行时，这些门输出可以远距离传入计算中。尽管此方法是可扩展的，但是它会需要单独门操作的多次重复直至计算完成，从而浪费了许多纠缠的光子和辅助光子。

期望是确定性的或者以其它的方式有效地利用量子资源的光学量子信息处理系统。理论上，这种光学系统会同样适合于降至纳米尺度的小型化。

发明内容

依照本发明的一个方面，如受控移相器的非线性光学元件可用来实现如量子子空间投影仪、贝尔态分析器、量子编码器、宇称检测器以及具有近似确定性性能的破坏性和非破坏性CNOT门的元件。

附图说明

图1示出实现适于量子非破坏性检测的受控移相器的非线性光学元件。

图2A、图2B和图2C示出依照本发明备选实施例的利用电磁感应透明的受控移相器。

图3是在图2A、图2B和图2C的受控移相器中使用的物质系统的能级图。

图4A和图4B示出依照本发明实施例的能够保持输入态的偏振或其它特性的光子数分辨移相器。

图5示出依照本发明实施例的n模量子子空间投影仪。

图6A和图6B示出依照本发明备选实施例的利用不同的2模量子子空间投影仪的非吸收对称性分析器。

图7A示出适合用于图5的子空间投影仪或者图6A或图6B的对称性分析器的零差检测器。

图7B示出在2量子位状态的对称性分析期间所取的零差测量的概率分布。

图8A和图8B示出依照本发明备选实施例的非吸收贝尔态分析器。

图9示出依照本发明实施例的具有适合用于量子信息处理系统的光子存储的电光反射镜系统。

图10示出依照本发明实施例的非吸收编码器。

图11示出依照本发明实施例的使用量子子空间投影仪的CNOT门。

图12A、图12B和图12C示出依照本发明备选实施例的纠缠器。

图13示出依照实施例的利用来自如图6A或图6B所示的对称性分析器的前馈的纠缠器。

图14A和图14B示出依照本发明实施例的使用纠缠器和前馈技术的CNOT门的备选实施例。

图15示出能够使用有效的非线性符号门的有效CNOT门的实施例。

图16A和图16B示出利用非吸收状态检测的多通非线性符号门的备选实施例。

图17示出依照本发明实施例的多通概率量子门。

在不同的附图中使用相同的附图标记来指示相似或相同的零部件。

具体实施方式

依照本发明的一个方面，非线性光学元件可有效地执行量子信息处理任务，如受控相移、非吸收状态检测、非吸收贝尔态分析、预报状态准备(heralded state preparation)、非吸收编码和如受控非(CNOT)门的基本量子门操作。直接利用光学非线性可把小的相移放大并且在高的工作效率下以近似确定性的方式利用前馈系统。

本发明的优选实施例利用如电磁感应透明(EIT)的非线性效应来产生可测量的相移并且可以利用波导和相互作用位置(如EIT原子)来实现，相互作用位置可以利用纳米尺度的结构来制造。例如，还在《现代光学杂志》(Journal of Modern Optics，vol.51，No.11，pp1559-1601(2004))上发表的R.G.Beausoleil、W.J.Munro和T.P.Spiller的“相干粒子数转换在量子信息处理中的应用”(“Applications of CoherentPopulation Transfer to Quantum Information Processing，”quant-ph/0302109(2003))描述了在可利用纳米尺度的结构来制造的量子光学系统中使用EIT相互作用。同样参见R.G.Beausoleil等人的“电磁感应透明在量子信息处理中的应用”(“Applications ofElectromagnetically Induced Transparency to Quantum InformationProcessing，”Journal of Modern Optics，vol.51，pp244 1-2448(2004))和W.J.Munro等人的“高效量子非破坏性单光子数分辨检测器”(“AHigh-Efficiency Quantum Non-Demolition Single Photon NumberResolving Detector，”Phys.Rev.A 71，033819(2005))。然而，本发明的实施例可以利用更大尺度的结构来实现，这些结构利用EIT、一般交叉克尔非线性或其它非线性光子相互作用。

图1示意性地示出依照本发明示范实施例的受控移相器100。受控移相器100具有探测模110、输入模120和测量模130。在图1所示的移相器100的示范操作中，在探测模110中施加相干光子态|α>，并且将n光子福克态|n>施加于输入模120。受控移相器100中相干光子态|α>和福克态|n>的非线性相互作用导致相移nθ，从而在测量模130上产生输出相干光子态|αe^inθ>。正如由W.J.Munro、K.Nemoto、R.G.Beausoleil和T.P.Spiller的“高效量子非破坏性单光子数分辨检测器”(“A High-Efficiency Quantum Non-Demolition SinglePhoton Number Resolving Detector，”Phys.Rev.A 71，033819(2005))所进一步描述的，受控移相器100的特征或特性固定了相位常数θ，由此相干探测态中相移nθ的测量确定输入模120的福克态|n>中的光子数n。

图2A、图2B和图2C示出利用电磁感应透明(EIT)引发相移的受控移相器200A、200B和200C的特定实施方式。这些EIT系统通常将光子态施加于物质系统，其中与物质系统的非线性相互作用可引发相移，而不会破坏或者以其它的方式改变光子的量子态。

图2A示出结构简单的移相器200A，包括自由空间中的物质系统210。物质系统210可以是气体盒(gas cell)或包含一个或多个具有适于EIT的量子能级的位置的任何结构。在移相器200A中，分别与图1中的光子态|n>和|α>对应的光子态|n_a>和|α_c>被引导在物质系统210的位置处重叠。状态|n_a>和|α_c>的下标标识相应状态中光子的频率。驱动激光器220还引导光子态|α_b>与光子态|n_a>和|α_c>在物质系统210中重叠。具有适当选择的频率的这三个光子态|n_a>、|α_b>和|α_c>的重叠使与4能级物质系统的EIT相互作用能够引发如下面进一步描述的相移。

图2B示出适于在固态系统中制造的受控移相器200B。受控移相器200B包括光子晶体230，光子晶体230包含波导232和234。当与图1的受控移相器100比较时，波导232与输入模120对应，并且波导234与光子模110和130对应。激光器220还利用下面进一步描述的特定EIT相互作用所需的控制光子态|α_b>来驱动波导234。传播光子态|α_b>和|α_c>的方向可以是相反的，以简化用于测量或使用的模的分离。为实现EIT相互作用，物质系统210优选地被限制在光子晶体230中的某处，以使与波导232和234中的光子对应的迅衰场与物质系统210相互作用，并且该相互作用在波导234中的光子探测态中产生相移。

图2C示出包括具有周期性的一系列单元260的波导250的移相器200C。波导250可以由被空气或其它低折射率材料(如ε＝1)环绕的高折射率材料(如ε＝12)制成。在示范实施例中，波导250具有0.55t的厚度，其中t为单元260的周期。每个单元260可以是厚段(例如，厚度为1.25t并且长度为0.4t)，后面是薄段(例如，厚度为0.25t并且长度为0.6t)。腔270可以通过将缺陷引入周期性结构260来实现。例如，使中央厚元件的长度变窄至0.3t，并且使两个相邻薄元件的长度变窄至0.25t，这样可以引入腔/缺陷270。物质系统210可以位于腔270中。

光子态|n_a>、|α_b>和|α_c>均输入到波导250并且穿过包含物质系统210的腔270。利用周期性单元260和腔270所引发的慢光效应增加了光子态|n_a>、|α_b>和|α_c>同物质系统210的相互作用时间并且可能相应地增加移相器200C的相移。来自波导250的输出光子态|n_a>、|α_b>和|α_ceⁱⁿ _a ^θ>可以利用光束分离方法来分离，如已知的基于偏振和/或频率的技术。例如，光子态|n_a>在波导250中可具有TE偏振，而|α_b>和|α_c>具有正交TM偏振。偏振分束器可然后将状态|n_a>与状态|α_b>和|α_ceⁱⁿ _a ^θ>分离，并且频率滤波器可以去除状态|α_b>以留下分离的状态|α_ceⁱⁿ _a ^θ>。

在示范实施例中，受控移相器200A、200B或200C中的物质系统210包括至少一个原子、分子或者具有四个状态|1>、|2>、|3>和|4>的其它结构，这四个状态具有如图3所示的量子能级。光子态|n_a>、|α_b>和|α_c>对应于具有相应角频率ω_a、ω_b和ω_c的模，角频率ω_a、ω_b和ω_c按照物质系统210的能级来选择但是可以另外处于包括光频、无线电/微波频率和其它远程通信频率的电磁波谱的任何范围中。通常，角频率ω_a、ω_b和ω_c与物质系统210的量子能级之间的对应跃迁耦合。具体地，关于图3的能级，角频率为ω_a的光子使原子能态|1>与能态|2>耦合。角频率为ω_b和ω_c的光子使亚稳能态|3>分别与能态|2>和|4>耦合。

图3所示的能级的相对顺序仅仅是一个示例，并且更一般地，能级的重新排序会仍然允许EIT。具体地，尽管图3示出第四能态|4>在能量上比第二能态|2>更高，第二能态|2>在能量上比第三能态|3>更高，并且第三能态|3>在能量上比第一能态|1>更高，但是EIT可以利用提供这些能级的任意排序的物质系统来产生。

第三能态|3>优选地为亚稳的，因为不允许单光子的自发发射。例如，如果能态|3>的自旋/角动量以及可用的更低能态使得守恒定律禁止在物质系统从能态|3>跃迁至更低能态期间单光子的发射，这种亚稳定性可产生。可以相似地通过如下方式抑制从第四能态|4>的自发跃迁(例如跃迁到第一能态|1>或第二能态|2>)：选择物质系统210以使第四能态|4>是亚稳的或者选择光子晶体230的特性以阻止或禁止传播具有与自第四能态|4>的跃迁对应的角频率的光子。

图3中的失谐参数v_a、v_b和v_c指示如公式1所示的物质系统210的能级跃迁的谐振产生的角频率ω_a、ω_b和ω_c的相应失谐量。在公式1中，能态|1>和|2>之间、|3>和|2>之间以及|3>和|4>之间的能量差分别是

和

公式1：

EIT使得物质系统210对角频率为ω_a或ω_c的光子是透明的，同时激光器220利用具有角频率ω_b的光子来驱动物质系统210。当角频率为ω_a、ω_b和ω_c的光子同时与物质系统210相互作用时，具有角频率ω_a和ω_c的光子的状态得到取决于具有角频率ω_a的光子数n_a和具有角频率ω_c的光子数n_c的总相移。相移的大小还可取决于失谐参数v_a、v_b和v_c、光子的相对偏振以及物质系统210的特性。

相干探测态|α_c>的相移或演化(evolution)可以由福克态的演化导出。具体地，分别包含n_a、n_b和n_c个光子的福克态分量驱动物质系统210的谐振四能级簇的三个频率通道。如果物质系统210包括在与光波长比较时是小的体积中固定并且是稳定的N个四能级原子，以及如果福克态的三个脉冲包络函数的持续时间与原子能级2的寿命比较时是长的，则无扰动光子数本征态|1，n_a，n_b，n_c>如公式2所示的那样演化，其中1标识物质系统的状态以及n_a、n_b、n_c为相应模中的光子数。

公式2：

|1，n_a，n_b，n_c>→e^-iWt|1，n_a，n_b，n_c>

公式2中的量W通常取决于物质系统210的特性和角频率ω_a、ω_b和ω_c。公式3A和3B给出了在如下情况时的量W：角频率ω_a和ω_b被精确调谐至相应的原子跃迁角频率ω₁₂和ω₃₂、移相是可忽略的并且来自原子能级2和4的自发发射分支比均近似为1。在公式3A中，N是四能级原子数，Ω_a、Ω_b和Ω_c是如公式3B中给出的有效真空拉比频率，v_c是失谐参数(ω_c-ω₄₃)，以及γ₂和γ₄近似等于自发发射比A₂₁和A₄₃。在公式3B中，k是具有值a、b和c的索引；根据定义σ_k是在波长λ_k≈2πc/ω_k的谐振原子吸收截面3λ_k ²/2π；πw²是有效激光模截面面积，A_k是两个对应原子能级之间的自发发射比；以及Δω_k是描述脉冲激光场与稳定原子的绝热相互作用的分布函数的带宽。

公式3A：

$W=\frac{N{\left|{\mathrm{\Ω}}_a\right|}^2{\left|{\mathrm{\Ω}}_c\right|}^2{n}_a{n}_c}{v_c{\left|{\mathrm{\Ω}}_b\right|}^2{n}_b+i({\mathrm{\γ}}_4{\left|{\mathrm{\Ω}}_b\right|}^2{n}_b+{\mathrm{\γ}}_2{\left|{\mathrm{\Ω}}_c\right|}^2{n}_c)}$

公式3B：

${\left|{\mathrm{\Ω}}_k\right|}^2=\frac{1}{8\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\σ}}_k}{{\mathrm{\πw}}^2}{A}_k\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_k$

公式3A指示四能级EIT系统的W是复数，指示频率为ω_a的光子的势吸收(potential absorption)。然而，在满足公式4的不等式的参数范围中，其中一个原子将散射角频率为ω_a的单光子的概率变小。(当|Ω_b|²|α_b|²/γ₂约等于|Ω_c|²|α_c|²/γ₄时，公式4简化为要求v_c/γ₄大)。在这个范围中工作时，状态|1，n_a，n_b，n_c>纯粹从非线性机制中获得相移。该相移可以是用于量子信息处理的高效非线性光学元件的基础。

公式4：

$\frac{{\left|{\mathrm{\Ω}}_b\right|}^2{\left|{\mathrm{\α}}_b\right|}^2}{{\mathrm{\γ}}_2}\frac{{\mathrm{\υ}}_c}{{\mathrm{\γ}}_4}>>\frac{{\left|{\mathrm{\Ω}}_b\right|}^2{\left|{\mathrm{\α}}_b\right|}^2}{{\mathrm{\γ}}_2}+\frac{{\left|{\mathrm{\Ω}}_c\right|}^2{\left|{\mathrm{\α}}_c\right|}^2}{{\mathrm{\γ}}_4}$

可以利用表示每个相干态的福克态上的和来评估包括相干态|α_b>和相干探测态|α_c>的原子场态的演化。具体地，公式5示出在与a通道中的n_a光子福克态和b和c通道中分别被α_b和α_c参数化的弱相干态的相互作用期间时间t之后N原子量子态的演化。公式6定义了相移θ。公式5和公式6表明演化态|ψ′(n_a)>不是福克态与两个相干态的简单张量积，除非原始的b通道相干态的参数α_b的值为大，在此情况下，演化态|ψ′(n_a)>约等于|1，n_a，α_b，α_ce^-in _a ^θ>。因此，只有当驱动通道b的耦合场是经典场时，EIT物质系统才提供精确的交叉克尔非线性；并且对于弱相干态输入脉冲，将该控制场作为经典场是不允许的。公式5和公式6还表明，在图2C的腔增强的实施例中，演化可能能够实现更大的相移θ，因为拉比频率可能比消相干速率大得多。

公式5：

$|\mathrm{\ψ}\left(n_a\right)\⟩\≡\≅|1,n_a,n_b,n_c\⟩=e^{-\frac{1}{2}({\left|{\mathrm{\α}}_b\right|}^2+{\left|{\mathrm{\α}}_c\right|}^2)}\underset{n_b=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n_c=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_b^{n_b}{\mathrm{\α}}_c^{n_c}}{\sqrt{n_b!n_c!}}|1,n_a,n_b,n_c\⟩$

$\→|{\mathrm{\ψ}}^{\′}\left(n_a\right)\⟩=e^{-\frac{1}{2}{\left|{\mathrm{\α}}_b\right|}^2}\underset{n_b=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_b^{n_b}}{\sqrt{n_b!}}|1,n_a,n_b,{\mathrm{\α}}_c{e}^{-i{n}_a\mathrm{\θ}{\left|{\mathrm{\α}}_b\right|}^2/n_b}\⟩$

公式6：

$\mathrm{\θ}\≡{\mathrm{\χ}}^t\≡\frac{N{\left|{\mathrm{\Ω}}_a\right|}^2{\left|{\mathrm{\Ω}}_c\right|}^2}{v_c{\left|{\mathrm{\Ω}}_b\right|}^2{\left|{\mathrm{\α}}_b\right|}^2}t$

因此，如果状态|α_c>是已知的，并且如果如状态|n_a>中光子的偏振的非测量特性是固定的，则受控移相器200A、200B或200C可提供近似与输入态|n_a>中的光子数n_a成比例的相移。这些结果对于上述EIT系统中输入态的角频率ω_a或探测态的相干态或角频率为ω_c的光子的选择不是唯一的。另外，引入交叉克尔非线性的其它系统可相似地在探测态中引入相移。因此，根据在利用EIT的特定实施例中可以如上所述来选择光子的角频率的条件，下面的描述去掉了探测态|α>和输入态|n>的下标。

通常，因为探测态|α>和控制态|n>的相互作用并且因此相位常数θ通常取决于光子偏振，探测态|α>中的相移取决于状态|α>和|n>的偏振。移相器100、200A、200B或200C中相移的测量可以标识光子偏振并且因此投射/更改输入模中光子的偏振态。然而，上述受控移相器的移相能力可用于保持输入态光子的偏振同时测量输入态光子数的系统。

图4A示出使探测态|α>的相位偏移的一般移相器400，相移取决于输入态|φ>中光子的数目、偏振或其它特性。在移相器400的示范应用中，输入态|φ>是具有有限数量p的水平偏振光子和有限数量q的垂直偏振光子的偏振本征态(即在示范情形中，|φ>≡|H^pV^q>)。移相器400的这个示范应用在使用偏振编码表示量子位的量子系统中尤其有用。

系统400包括固定移相器410和两个受控移相器100-1和100-2。移相器410导致探测态|α>的相位中的固定偏移θ″并且可以利用线性延迟器来实现(或者针对其中固定偏移θ″等于零的情形而省略)。受控移相器100-1和100-2也对探测态|α>起作用，但是在状态|φ>的不同分量控制之下。受控移相器100-1和100-2可以利用如上所述的EIT非线性或利用提供近似克尔非线性的任何其它系统来实现。受控移相器100-1和100-2的一些示例可使用耳语廓微型谐振器、光纤、掺杂光纤或光子晶体光纤或腔QED系统。移相器100-1和100-2具有相应的相位常数θ和θ′，它们通常可能是彼此不同的。

如图4A所示，偏振分束器430将输入态|φ>分成由偏振来区分的分量。第一分量(如与水平偏振光子对应的分量状态)控制受控移相器100-1。在状态|H^pV^q>的水平偏振分量控制移相器100-1的情形中，受控移相器100-1将相移pθ引入探测态|α>。任选地，偏振更改元件440可以将状态|φ>的第二偏振分量的偏振更改为与第一偏振分量相同的偏振。例如，偏振更改元件440可以是被定向以将第二分量中光子的偏振从垂直偏振更改为水平偏振的半波片。由元件440输出的变换状态的偏振控制移相器100-2。第二偏振更改元件450取消或倒转元件440在第二偏振分量中产生的偏振变化，以使光束组合器460可以重新组合第一偏振分量和第二偏振分量并且构建输出态|φ′>。这种偏振变化可简化具有相同相位常数的移相器100-1和100-2的实现，即针对常数θ和θ′相等的特定情形的移相器100-1和100-2的实现。然而，在常数θ和θ′不相同的本发明的实施例中，偏振更改元件440和450可能是不必要的。

在状态|H^pV^q>的垂直偏振分量控制移相器100-2的情形中，受控移相器100-2引入相移qθ′。移相器400中探测态|α>中的总相移是来自移相器100-1、100-2和410的相移之和，即pθ+qθ′+θ″。

如果移相器100-1和100-2是相同的，移相器400将是偏振保持移相器。具体地，出现在移相器100-1中的偏移与状态|φ>的第一偏振分量中的光子数成比例，并且出现在移相器100-2中的偏移与状态|φ>的第二偏振分量中的光子数成比例。然而，当元件440导致受控移相器100-1和100-2的控制光子具有相同偏振时，如果移相器100-1和100-2是相同的，则移相器100-1和100-2的偏振常数θ是相同的。利用相同的移相器100-1和100-2以及没有固定的移相器410，探测态|α′>中的总相移与状态|φ′>中的光子数p+q成比例，并且即使在非零固定相移的情况下，移相器400的输出态可以表述为状态|φ′>和移相态|α′>的乘积。总相移的测量确定状态|φ′>中的光子总数p+q，但是该测量不确定p和q的单独值或偏振并且不更改偏振态。因此，当移相器100-1和100-2相同时，移相器400即使当测得光子数p+q时也保持输入态|φ>的偏振态。

移相器400的一个偏振保持实施例具有相同的相位常数θ和θ′，相位常数θ和θ′是固定相移θ″的负数。在这个实施例中，当状态|φ′>包含两个光子时，探测态|α>中产生相移θ。当输入态|φ′>包含一个光子时，探测态|α>中无相移产生，并且当输入态|φ′>是真空态时，探测态|α>中产生相移-θ。探测态|α′>的测量可因此根据测得的相移的符号以及所测得的相移是否为非零来确定输出态|φ′>是包含0个、1个还是2个光子。如果输入态|φ>是福克态的叠加，则相移测量将输入态|φ>投射到具有与测量结果对应的数量p+q的光子的福克态的子空间上，但是不揭示或更改偏振。

图4B示出可相似地保持包括但不限于偏振的输入态特性的光子数分辨移相器400B。例如，移相器400B的输入态|φ>可以是具有有限角动量或具有模糊时间仓(time bin)的光子态的线性组合。在移相器400B中，状态分离器435分离与所保持特性的不同量子数相关联的状态。例如，分离器435可以是能够分离具有不同角动量的光子态的全息图(hologram)或者是被操作以引导光子在一个时间仓中控制移相器100-1以及引导光子在另一个时间仓中控制移相器100-2的光学开关。移相器100-1的控制模中的光学系统442和移相器100-2的控制模中的光学系统444可用来将分离的光子控制态变换为期望用于控制相应移相器100-1和100-2的形式。光学系统452和452取消了分离的控制态的变换，以使组合器465在受控移相器100-1和100-2对探测态|α>起作用之后可以重新组合分离的状态以产生输出态|φ′>。以与上述相同的方式，如果受控移相器100-1和100-2的相位常数θ和θ′相同，则探测态|α>的总相移将指示输出态|φ′>中的光子总数，而未确定关于单独的分离状态中光子数的任何信息。相移的测量可因此确定光子总数，而未更改所保持的特性。

移相器400或400B的配置还可以用于将输入态|φ>投射进光子态的标识或预报子空间的系统。例如，移相器400的一种配置具有等于-θ的固定相移θ″并且具有等于零的相位常数θ′。移相器400的这种配置不必保持偏振但是提供了使用相移将输入态投射到具有标识数量的水平偏振光子和未确定数量的垂直偏振光子的子空间上的示例。例如，探测态|α>中的相移θ标识由包含两个水平偏振光子的状态所跨越的子空间。探测态|α>中无相移标识包含一个水平偏振光子的状态子空间，并且探测态|α>中的相移-θ标识由真空态和仅包括垂直偏振光子的状态所跨越的子空间。探测态|α>中相移的测量将因此把状态|φ>投射到具有由相移的符号和大小确定的数量的水平偏振光子的子空间上。

更一般地，将如图4A或图4B所示的移相器与探测态的适合测量组合可将一般的输入态投射到其它所期望的希耳伯(Hilbert)子空间上。例如，图5示出依照本发明实施例的利用n个移相器400-1至400-n和测量系统530的n模量子子空间投影仪500。如图所示，投影仪500具有用于输入如相干态|α>的探测态的模M0和用于输入一般n模光子态|Ψ>的n个模M1至Mn。每个移相器400-i对应于光子模Mi并且通常具有三个相位常数θ_i、θ_i′和θ_i″。在图5中，相位常数θ_i应用于与模i中的水平偏振光子相关联的相移。相位常数θ_i′应用于与模i中的垂直偏振光子相关联的相移以及相位常数θ_i″对应于移相器400-i施加于探测态|α>的固定相移。

测量系统530提取关于探测模M0在移相器400-1至400-n中获得的总相移的信息。作为测量结果，投影仪500将模M1至Mn的状态投射进由符合测量的状态所跨越的希耳伯子空间。作为投射目标的希耳伯子空间将通常取决于相位常数θ₁至θ_n、θ₁′至θ_n′以及θ₁″至θ_n″并且取决于由测量系统530获得的特定测量结果。附加的光学部件可以添加到这个系统中以调节相对相位或者基于测量结果提供其它校正。

一种有用的2模量子子空间投影仪将一般的2模状态投射到由“对称”贝尔态所跨越的希耳伯子空间上或投射到反对称贝尔态上。图6A示出依照本发明实施例的非吸收对称性分析器600，该非吸收对称性分析器600测量探测态|α>中的相移以获得关于2量子位输入态|Ψ>的对称性的信息。该2量子位状态|Ψ>通常是若干项的叠加，其中每项是模612的光子态和模614的光子态的乘积。这些输入模在具有进入2模量子子空间投影仪500A的输出模M1和M2的分束器610上相遇。第二分束器620将来自投影仪500A的模M1和M2作为输入模并且操作以将与输入模612和614相关联的光子态分别返回到输出模622和624。

2模量子子空间投影仪500A是图5的投影仪500当模的数量为2时的特定示例。具体地，投影仪500A包括对模M0中的探测态起作用并且分别受模M1和M2上的光子态控制的偏振保持移相器400-1和400-2。每个移相器400-1和400-2可以基本上与图4的移相器400相同并且以和图4的移相器400相同的方式进行构建。投影仪500A中移相器400-1的相位常数的特定选择是θ₁＝θ、θ₁′＝θ以及θ₁″＝0，并且移相器400-2的相位常数是θ₂＝-θ、θ₂′＝-θ以及θ₂″＝0，使得移相器400-1和400-2成为偏振保持移相器。

在不失一般性的情况下，2量子位输入态|Ψ>可以表述为如公式7中所示的贝尔态的线性组合，其中状态|B₁>、|B₂>、|B₃>和|B₄>是归一化的贝尔态并且系数a₁、a₂、a₃和a₄是相应贝尔态|B₁>、|B₂>、|B₃>和|B₄>的复概率振幅。量子力学的线性确保了所有结果对叠加和混合状态也是有效的。

公式7：

|Ψ>＝a₁|B₁>+a₂|B₂>+a₃|B₃>+a₄|B₄>

贝尔态|B₁>、|B₂>、|B₃>和|B₄>具有公式8中给出的形式，在表示中，每个量子位的二进制值0和1分别与光子的水平(H)和垂直(V)偏振对应。在本文中，状态|H^pV^q，H^rV^s>指示在第一模(如模612)中具有p个水平偏振光子和q个垂直偏振光子以及在第二模(如模614)中具有r个水平偏振光子和s个垂直偏振光子的状态。贝尔态的重要特征是交换光子模(如交换光子模612和614)的操作使贝尔态|B₁>取其负数-|B₁>，但使其它贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>中的每个分别取回自身值。贝尔态|B₁>在这种变换下因此是反对称的并且有时在本文中被称为单态。相反，其它三个贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>未被交换变换更改并且有时在本文中被称为对称态。

公式8：

$|B_1\⟩\≡\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H,V\⟩-|V,H\⟩)$

$|B_2\⟩\≡\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H,V\⟩+|V,H\⟩)$

$|B_3\⟩\≡\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H,H\⟩-|V,V\⟩)$

$|B_4\⟩\≡\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H,H\⟩+|V,V\⟩)$

在非吸收对称性分析器600中，分束器610干涉来自模612和614的光子并且(对于分束器610的相位约定的特别选择)如公式9中所示地变换贝尔态。正如从公式9可以看到的，分束器610使单态|B₁>变换回其自身的负数并且使对称贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>变换成在一个模M1或M2中具有两个光子并且在另一个模M2或M1中无光子的状态的线性组合。这种特性允许分析状态|Ψ>并具体地将状态|Ψ>投射进反对称希耳伯子空间(即单态|B₁>上)或投射到由贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>所跨越的对称希耳伯子空间上。

公式9：

|B₁>→-|B₁>

$|B_2\⟩\→\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|\mathrm{HV},0\⟩-|0,\mathrm{HV}\⟩)$

$|B_3\⟩\→\frac{1}{2}\left(\right|H^2,0\⟩-|0,H^2\⟩-|V^2,0\⟩+|0,V^2\⟩)$

$|B_4\⟩\→\frac{1}{2}\left(\right|H^2,0\⟩-|0,H^2\⟩+|V^2,0-|0,V^2\⟩)$

正如上面所注意到的，偏振分束器610的输出模M1和M2上的光子态分别控制偏振保持移相器400-1和400-2。更具体地，模M1上从分束器610输出的光子态控制偏振保持移相器400-1，以使移相器400-1将相移n₁θ引至探测态|α>。该相移因此取决于模M1中的光子数n₁和偏振保持移相器400-1的相位常数θ。

偏振保持移相器400-2具有相位常数-θ，该相位常数是移相器400-1的相位常数θ的负数。通常，4能级EIT移相器可产生相移。如果一个移相器中的其中一个物质系统的角频率ω_c的失谐常数v_c是另一个移相器中的物质系统的对应的失谐常数v_c的负数，则这两个移相器可产生符号相反的相移。来自分束器610的输出模M2控制偏振保持移相器400-2，以使移相器400-2引入探测态|α>的第二相移-n₂θ，其中n₂是模M2中的光子数。

如果状态|Ψ>是单态|B₁>，来自分束器400-1的模M1和M2将各自包含单光子。移相器620将因此引入相移θ，如|α′>＝|αe^iθ>，并且移相器400-2引入相反的相移-θ。结果，如果状态|Ψ>是单态|B₁>，则没有净相移，即|α″>＝|α>。

如果状态|Ψ>是在希耳伯空间的对称部分中，即是对称贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>的线性组合，则来自分束器610的输出模M1和M2采用模M1中的2光子状态与模M2中的真空态以及模M2中的2光子状态与模M1中的真空态的叠加。在模M1中具有两个光子的状态导致探测态|α>中2θ的相移，并且在模M2中具有两个光子的状态导致探测态|α>中-2θ的相移。可以测量相移大小的检测器630可因此将单态|B₁>与处于由贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>所跨越的对称希耳伯空间中的状态区分开来。对于所期望的投射，关键是测量不确定相移的符号。

在分析状态|Ψ>是如公式7中的贝尔态的一般线性组合的情形下，移相器400-1和400-2的操作产生状态|Ψ₂>，其中模M0探测态与模M1和M2状态纠缠。例如，如果分束器610产生为公式10的形式的状态|Ψ₀>，移相器400-1的作用产生公式11所示的状态|Ψ₁>。移相器400-2然后产生具有公式12中所示的形式的状态|Ψ₂>。(在公式10、11和12中，因为与偏振保持移相器400-1和400-2相关联的相移与偏振无关，所以光子的偏振被忽略)。

公式10：

|Ψ₀>＝|α>[a(|2，0>-|0，2>)+b|1，1>]

公式11：

|Ψ₁>＝a|αe^i2θ>|2，0>-a|α>|0，2>+b|αe^iθ>|1，1>

公式12：

|Ψ₂>＝a|αe^i2θ>|2，0>-a|αe^-2θ>|0，2>+b|α>|1，1>

在本发明的示范实施例中，测量系统530是如图7A所示的零差检测器。零差检测器530包括本地振荡器710、分束器720、光电二极管或检测器730和740以及差动放大器750。本地振荡器710优选地产生与探测态|α>相同波长的参考相干态。分束器720使来自模M0的状态与参考态干涉，在来自分束器720的两个输出模中具有不同的相对符号。光电二极管730和740生成与来自分束器720的相应输出模中干涉光子态的相应强度成比例的电流，并且差动放大器750生成指示光电二极管电流之间的差的测量信号x。

已知如图7A的检测器530的零差检测器有效地测量为公式13中给出的形式的正交算符

的值。在公式13中，算符

和a分别是探测模M0的产生算符和湮没算符，并且

是探测态|α>和来自本地振荡器710的参考态之间的相位差。零差检测器的单次测量将产生算符

的本征值。对于相位差

是零的特殊情形，检测器530的测量通常被称为X正交的测量。

公式13：

图6A的对称性分析器600中的零差测量将模M0中的光子态投射到算符的本征态上。公式14所示的是在相位差

为零并且状态|Ψ₂>具有公式12所示的形式的特定情形下由到本征态|x>上的投射产生的非归一化状态|Ψ₃>。公式15指示公式14中内积的求值结果。根据公式15，近似等于2α的测量结果x即x≈2α将M1和M2模光子的状态投射到近似等于状态|1，1>的状态，并且因此与单态|B₁>对应。近似等于2αcos(2θ)的测量结果x即x≈2αcos(2θ)将模M1和M2光子投射到e^iφ(x)| 2，0>-e^-iφ(x)| 0，2>，其对应于贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>的对称希耳伯状态中的状态。

公式14：

|Ψ₃>＝|x><x|Ψ₂>＝|x>(<x|αe^i2θ>a|2，0>-<x|αe^-i2θ>a|0，2>+<x|α>b|1，1>)

公式15：

$|{\mathrm{\&Psi;}}_3\&rang;=|x\&rang;\left({\mathrm{Ae}}^{-f\left(x\right)}a\right[e^{\mathrm{i\&phi;}\left(x\right)}|\mathrm{2,0}\&rang;-e^{-\mathrm{i\&phi;}\left(x\right)}|\mathrm{0,2}\&rang;]+A{e}^{\frac{-{(x-2\mathrm{\&alpha;})}^2}{4}}b|\mathrm{1,1}\&rang;)$

其中

$f\left(x\right)=-\frac{1}{4}{(x-2\mathrm{\&alpha;}\cos \left(2\mathrm{\&theta;}\right))}^2$

并且

φ(x)＝αsin2θ(x-2αcos(2θ))

图7B示出作为由状态|Ψ₂>的零差测量产生的测量结果x的函数的概率分布700。概率分布700包括两个分别以2α和2αcos(2θ)为中心并且分别对应于公式15的状态|Ψ₃>中对称子空间项和反对称子空间项的系数的高斯峰710和720。高斯峰710下等于本征值的测量结果x具有与状态|Ψ₃>的对称分量对应的近似确定性概率，并且因此有效地将模M1和M2状态投射到由对称贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>所跨越的希耳伯子空间上。高斯峰720下等于本征值的测量结果x具有与状态|Ψ₃>的反对称分量对应的近似确定性概率，并且因此有效地将模M1和M2状态投射到单态|B₁>上。然而，高斯分布710和720的尾部均为小(但是理论上为非零)的区域730中的测量结果可能不能清楚地区分对称项和反对称项。

对称性分析器600可使用以下规则：高于边界点例如高于高斯分布710和720的峰之间的中点x＝α(1-cos(2θ)的测量结果x标识反对称态以及低于边界点的测量结果x标识对称态。由这个规则引入的误差概率取决于高于边界点延伸的高斯分布710的部分的积分和低于边界点延伸的高斯分布720的部分的积分。基于公式15的投射状态，出现的误差概率P_ERROR在公式16中给出并且当峰之间的距离(如果θ为小，则该距离为4αθ²)大于约9时该误差概率P_ERROR小于10^-5，这表明在弱交叉克尔非线性的范围内(即θ＜＜π)的操作是可能的。

公式16：

$P_{\mathrm{ERROR}}=\mathrm{Erfc}\left(\sqrt{2}{\mathrm{\&alpha;\&theta;}}^2\right)$

其中

$\mathrm{Erfc}\left(z\right)=1-\underset{-\&infin;}{\overset{z}{\&Integral;}}\mathrm{dt}\frac{e^{-\frac{1}{2}{t}^2}}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}$

如果对称性分析器600使用以下测量解释规则，则可减小误差P_ERROR：将在所选区域(如区域730)中的测量结果x看作分析失败并且将高于或低于该所选区域的边界的测量结果看作与反对称或对称测量结果对应。这类规则能够以引入对称性分析失败的机会为代价来减少误差概率。

在测量结果指示反对称态的情况下，投影仪600中的测量系统530激活移相器550和560以去除与状态|2，0>和|0，2>相关联的测量相关相移φ(x)和-φ(x)。在示范实施例中，每个移相器550或560包括光延迟线和后面两个泡克耳斯盒(Pockels cell)。存在用于引入光延迟的各种方法，如下面所描述的循环量子缓冲器，或者如在K.Banaszek和I.Walmsley的“利用环路检测器的光子计数”(“Photon Counting witha Loop Detector，”Opt.Lett.28，52(2003))中描述的光纤环路延迟线。泡克耳斯盒为每个状态的水平偏振分量和垂直偏振分量引入线性相移，并且所施加的相移取决于测量结果并且可以利用电信号来选择。

上面对子空间投影仪中的操作和误差的描述假定利用交叉克尔非线性引入相移。虽然如上所述的EIT系统通常可能不能产生理想的交叉克尔非线性，但是EIT系统确实提供了典型工作范围内交叉克尔非线性的适合近似，例如，当相移是在大约0.1弧度的量级并且α是在大约100的量级时。除EIT系统之外的系统可能同样能够提供适于接近理想交叉克尔非线性的相互作用。

分析器600中的对称性分析利用移相器400-1和400-2，它们为在一个模M1或M2中具有两个光子的状态提供具有非零值的相移但是不为在每个模M1和M2中具有一个光子的状态提供相移。利用具有不同的相位常数选择的移相器的其它子空间投影仪可给予同样适于一般的2量子位状态|Ψ>的对称性分析的类似相移。例如，图6B示出利用备选的2模子空间投影仪500B的对称性分析器600B。在子空间投影仪500B中，移相器400-1的相位常数的特定选择是θ₁＝2θ、θ₁′＝2θ以及θ₁″＝-2θ，使得移相器400-1成为偏振保持移相器。移相器400-2的相位常数θ₂、θ₂′和θ₂″均为零。因此，移相器400-2不起作用并且可以省略。

如果在模M1中存在两个光子，投影仪500B中的移相器400-1使探测态的相位偏移2θ；如果在模M2中存在两个光子，投影仪500B中的移相器400-1使探测态的相位偏移-2θ；并且如果在模M1和M2的每一个中存在一个光子，投影仪500B中的移相器400-1使探测态的相位偏移为零。因此，投影仪500B中相关状态的相移与投影仪500A中的相移相同，并且来自对称性分析器600B的输出态将以和上面就图6A的对称性分析器600所述相同的方式取决于测量。

对称性分析器600B具有只需要单个偏振保持移相器400-1的优点。例如，当移相器利用相等但是相反的相移可能难以实现的EIT系统来实现时，这个优点可能是重要的。然而，投影仪500B中的偏振保持移相器400-1使用具有等于2θ的相位常数而不是等于θ的相位常数的受控移相器，并且因此提供了与投影仪500A中的移相器400-1和400-2相同的总相移。

图6A的对称性分析器600或图6B的对称性分析器600B可以如上所述用来将任意的2量子位状态投射到单态上或投射到由对称贝尔态所跨越的希耳伯空间上。投射是非吸收的，因此在投射中没有丢失信号光子。此外，不同光子态之间的相位关系保持原样。这些特性可用来构建能够确定分析状态|Ψ>的哪个贝尔态投射是由分析器输出的贝尔态分析器。

图8A示出依照本发明实施例的非吸收贝尔态分析器800。贝尔态分析器800包括三个非吸收对称性分析器600-1、600-2和600-3，它们可以和图6A或6B的非吸收对称性分析器600或600B相同。分别跟在分析器600-1、600-2和600-3之后的光学系统810、820和830如下面进一步描述的那样有效地改变贝尔态的顺序。

输入贝尔态分析器800的分析状态|Ψ>可以是如在公式7中所示的一般的2量子位状态。非吸收对称性分析器600-1如上所述对分析状态|Ψ>起作用以测量输入态|Ψ>的对称性。如上所述，对称性分析器600-1测量探测态(未示出)并且输出指示测量结果x1的测量信号。测量将分析状态|Ψ>投射进单态|B₁>或投射进由对称贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>所跨越的希耳伯空间，并且测量结果x1指示来自分析器600-1的输出态是处于单态|B₁>还是处于是对称贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>的线性组合的状态。

光学系统810将从对称性分析器600-1离开的状态|B₁>、|B₂>、|B₃>和|B₄>分别变换成贝尔态|B₂>、|B₁>、|B₄>和|B₃>。在本发明的示范实施例中，光学系统810是模M1中的半波片。该半波片可以定向成将负号引入与模M1中的垂直偏振光子对应的状态并且保持水平偏振光子的状态不变。这有效地以所期望的方式改变贝尔态的顺序。

对称性分析器600-2然后检测来自光学系统810的变换状态是否是单态|B₁>。对称性分析器600-2中探测态的测量提供了测量结果x2并且再次将2量子位状态投射进单态|B₁>或者由对称贝尔态|B₂>、|B₃>和|B₄>所跨越的希耳伯空间。更具体地，如果测量结果x2指示反对称贝尔态，则分析器600-2的输出态将是单态|B₁>；如果来自分析器600-1的测量结果x1指示反对称贝尔态，则分析器600-2的输出态将是贝尔态|B₂>，或者如果测量结果x1或x2都不指示反对称态，则分析器600-2的输出态将是贝尔态|B₃>和|B₄>的线性组合。

光学系统820还变换来自对称性分析器600-2的模M1和M2上的输出态。在本发明的示范实施例中，光学系统820是模M2中的半波片。该半波片被定向为将状态|B₂>变换为|B₃>、将状态|B₁>变换为|B₄>、将状态|B₄>变换为|B₁>以及将状态|B₃>变换为|B₂>。结果，当从光学系统820输出时，原始输入态|Ψ>的贝尔态分量|B₁>、|B₂>、|B₃>和|B₄>分别对应于状态|B₃>、|B₄>、|B₁>和|B₂>。

对称性分析器600-3然后分析来自光学系统820的变换状态是否处于单态|B₁>。如果来自对称性分析器600-3的测量结果x3对应于单态|B₁>，则来自分析器600-3的输出态是状态|B₁>。否则，来自分析器600-3的输出态处于对称希耳伯子空间。更具体地，如果来自分析器600-3的测量结果x3指示反对称贝尔态，则分析器600-3的输出态将是单态|B₁>；如果来自分析器600-2的测量结果x2指示反对称贝尔态，则分析器600-3的输出态将是贝尔态|B₄>；或者如果来自分析器600-1的测量结果x1指示反对称贝尔态，则分析器600-3的输出态将是贝尔态|B₃>；或者如果测量结果x1、x2和x3中没有一个指示反对称态，则分析器600-3的输出态将是贝尔态|B₂>。

可利用在模M2中具有适当朝向的半波片来实现的光学系统830通过将状态|B₃>转换至|B₁>、将状态|B₄>转换至|B₂>、将状态|B₁>转换至|B₃>以及将状态|B₂>转换至|B₄>来变换来自对称性分析器600-3的输出态。因此，如果来自分析器600-1的测量结果x1指示反对称，则来自分析器800的输出态将是贝尔态|B₁>；如果来自分析器600-2的测量结果x2指示反对称，则来自分析器800的输出态将是贝尔态|B₂>；如果来自分析器600-3的测量结果x3指示反对称，则来自分析器800的输出态将是贝尔态|B₃>；以及如果测量结果x1、x2或x3中没有一个指示反对称，则来自分析器800的输出态将是贝尔态|B₄>。因此，来自分析器600-1至600-3的测量信号因此指示从分析器800输出的输出贝尔态。

非吸收贝尔态分析器800依靠检测器600-1、600-2和600-3检测反对称性的失败来作为测量特征和到贝尔态|B₄>上的对应投射。在这种情况下，测量中的无效或误差可导致分析器600-1、600-2和600-3未能检测单态，这导致了贝尔态|B₄>的虚假识别。图8B所示的贝尔态分析器800B使用附加的对称性分析器600-4来区分检测器失败和贝尔态|B₄>的检测。

分析器800B在对称性分析器600-3之后使用变换光学部件835。不是取消光学系统810和820的先前的变换，而是光学系统835将状态|B₃>变换为|B₄>、将状态|B₄>变换为|B₃>、将状态|B₁>变换为|B₂>以及将状态|B₂>变换为|B₁>。因此，如果来自分析器600-3的输出态是贝尔态|B₂>，则来自分析器600-4的测量信号应当指示反对称态|B₁>。光学系统840将状态|B₄>变换为|B₁>、将状态|B₃>变换为|B₂>、将状态|B₂>变换为|B₃>以及将状态|B₁>变换为|B₄>。如果来自分析器600-1的测量信号结果x1指示反对称，则来自分析器800B的输出态将是贝尔态|B₁>；如果来自分析器600-2的测量结果x2指示反对称，则来自分析器800B的输出态将是贝尔态|B₂>；如果来自分析器600-3的测量结果x3指示反对称，则来自分析器800B的输出态将是贝尔态|B₃>；以及如果来自分析器600-3的测量结果x4指示反对称，则来自分析器800B的输出态将是贝尔态|B₄>。不止一个指示反对称的测量或者任何指示反对称的测量x1、x2、x3或x4的失败指示分析失败。

如分析器600和600B的非吸收对称性分析器和如分析器800和800B的贝尔态分析器可用于分析输入态并且然后利用分析结果控制前馈操作的量子信息处理系统。用于前馈系统的有用器件是循环量子缓冲器(Cyclical Quantum Buffer，CQB)。

图9示出包括两个偏振分束器910和920以及两个电光泡克耳斯盒930和940的CQB 900的实施例。偏振分束器910具有输入端口912并且可接收包含水平偏振分量状态和垂直偏振分量状态的输入光子态。偏振分束器920具有输出端口922。每个偏振分束器910和920具有相同的朝向，例如以透射水平偏振光子并且反射垂直偏振光子。

配置每个泡克耳斯盒930和940，以使当泡克耳斯盒930或940“接通”时，泡克耳斯盒930或940将水平偏振光子变换为垂直偏振光子并且将垂直偏振光子变换为水平偏振光子，例如交换偏振态

当“切断”时，泡克耳斯盒930或940保持光子态不变。泡克耳斯盒930具有相关联的转向反射镜932和934，转向反射镜932和934被定向以使通过泡克耳斯盒930的光路形成一个顶点在反射镜932上、一个顶点在反射镜934上以及一个顶点在PBS 910内的偏振膜上的三角形环。同样地，泡克耳斯盒940具有相关联的转向反射镜942和944，转向反射镜942和944被定向以使通过泡克耳斯盒940的光路形成具有顶点在反射镜942上、反射镜944上以及PBS920内的三角形环。

CQB 900可操作用来存储光子态、透射光子态或者在线性偏振交换之后反射光子。对于没有水平偏振和垂直偏振交换的光子态的快速透射，泡克耳斯盒930或940均被切断。对于经由输入端口912输入的状态，PBS 910透射水平偏振分量，其然后以顺时针方向遍历包括泡克耳斯盒930的环，通过PBS 910和PBS 920传播，以逆时针方向遍历包括泡克耳斯盒940的环，并且通过PBS 920出射。PBS910反射垂直偏振分量，其然后以逆时针方向遍历包括泡克耳斯盒930的环，再次由PBS 910反射，传播至PBS 920并从PBS 920反射，以顺时针方向遍历包括泡克耳斯盒940的环，并且在第二次从PBS 920反射之后在输出端口922上出射。在没有偏振交换的快速透射期间，CQB 900的光路长度对于两种偏振分量状态是相同的。

对于有水平偏振和垂直偏振交换的光子态的快速反射，一个泡克耳斯盒930可以接通，而另一个泡克耳斯盒940可以接通或切断。来自输入端口912的水平偏振分量穿过PBS 910并且从转向反射镜932被反射进泡克耳斯盒930，泡克耳斯盒930将水平偏振光子变换成垂直偏振光子。变换的光子态然后从PBS 910反射并且沿着输入端口912回射。输入垂直偏振分量最初从PBS 910反射，遍历包括泡克耳斯盒930的环，其中垂直偏振被切换为水平偏振，通过PBS 910透射该水平偏振以沿着输入端口912回射。

用于存储的EOM 900的操作可使用对应于光子遍历与泡克耳斯盒930或940相关联的环的快速透射时间的时钟周期。CQB 900中其它处例如从PBS 910至PBS 920的透射的传播时间可以与该时钟周期同步，但是可以使PBS 910和PBS 920之间的距离长以提供光学延迟。对于存储操作，仅在光子态第一次通过包括泡克耳斯盒930的环之后，泡克耳斯盒930和940均被接通。在泡克耳斯盒930和940接通的情况下，水平偏振分量和垂直偏振分量沿包括穿过泡克耳斯盒930和940的环的数字8的路径而行。最初为水平偏振的分量状态以和最初为垂直偏振的分量状态不同的方向遍历数字8的路径。为了透射具有原始偏振的光子态(在所选的延迟时间之后)，泡克耳斯盒940被切断，并且光子态自PBS 920经由输出端口922出射。为了反射具有交换的偏振的光子态(在所选的延迟时间之后)，泡克耳斯盒930被切断，并且光子态自PBS 910沿着输入端口912回射。

当用作存储器件时，CQB 900具有对双折射移相不灵敏的优点，因为当每个偏振分量绕过每个环时该偏振分量在垂直偏振和水平偏振之间交替。另外，因为不同的偏振遍历相同的路径，虽然是在相反的方向上，但是如转向反射镜932、934、942和944的结构中的声振动对两种分量具有匹配效应。CQB 900中主要的消相干机制由于光子的散射和吸收而损失。

图10示出使用2模量子子空间投影仪500和五个CQB 900-1至900-5的非吸收编码器1000。量子子空间投影仪500可以基本上与图6A和6B的量子子空间投影仪500A或500B相同，并且CQB 900-1至900-5各自可基本上与上述图9的CQB 900相同。非吸收编码器1000还包括纠缠光子对的源1010、电光泡克耳斯盒1020和1030、偏振分束器1040和检测器1050。

在操作中，为了快速透射，CQB 900-1和900-4以及泡克耳斯盒1020最初是切断的。表示正被编码的量子位的输入态|Ψ₁>可然后经由CQB 900-1进入编码器1000。与状态|Ψ₁>的输入同时，可能是参数降频转换器、贝尔态分析器或任何适合的纠缠光子源的源1010生成贝尔态|B₄>中的纠缠光子对。公式17给出用水平偏振态和垂直偏振态|H_i>和|V_i>表示的状态|Ψ₁>和|B₄>，其中下标i指示穿过CQB 900-i的光子模。

公式17：

|Ψ₁>＝q0|H₁>+q1|V₁>

$|B_4\&rang;=\frac{1}{\sqrt{2}}[|H_4{H}_5\&rang;+|V_4{V}_5\&rang;]$

模1和4中的光子入射到PBS 1040上，并且PBS 1040输出模2和3中的光子。PBS 1040的作用如公式18所示的那样变换输入乘积态。如公式所示，公式18的变换状态的前两项在模2和3的每一个中具有一个光子。公式18的变换状态的后两项在模3或2中具有两个光子并且在另一个模2或3中没有光子。

公式18：

$(q0|H_1\&rang;+q1|V_1\&rang;)\&CircleTimes;\frac{1}{\sqrt{2}}[|H_4{H}_5\&rang;+|V_4{V}_5\&rang;]\&RightArrow;$

$\frac{q0}{\sqrt{2}}|H_2{H}_3{H}_5\&rang;+\frac{q1}{\sqrt{2}}|V_2{V}_3{V}_5\&rang;+\frac{q0}{\sqrt{2}}|H_3{V}_3{V}_5\&rang;+\frac{q1}{\sqrt{2}}|H_2{V}_2{H}_5\&rang;$

量子子空间投影仪500分析与模2和3对应的状态并且将变换状态的模2和3投射到与在模2和3的每一个中存在单光子对应的希耳伯子空间上，或者投射到由模2中零光子或两个光子以及模3中两个或零光子所描述的希耳伯子空间上。如果来自投影仪500的测量结果x标识模2中的单光子，则测量之后的投射状态|P₁>由公式19给出，并且编码器1000已经成功地将|Ψ₁>编码为三个一组的极大纠缠光子。

公式19：

|P₁>＝q0|H₂H₃H₅>+q1|V₂V₃V₅>

如果量子子空间投影仪500未产生指示单态的测量结果，则测量之后的投射状态|P₀>由公式20给出。来自投影仪500的测量信号控制CQB 900-2和900-3以使模2和3中的光子返回到PBS 1040，PBS1040将公式20的状态变换为公式21给出的形式。同样响应于该测量信号，CQB 900-5可然后存储模5的光子态同时模2和3的光子被返回。在本发明的备选实施例中，CQB 900-5可用仅仅延迟输出模5的光子直至模2和3的光子就绪的光学延迟线来代替。

公式20：

|P₀>＝q0|H₃V₃V₅>+q1|H₂V₂H₅>

公式21：

|P₀>→q0|H₁V₄V₅>+q1|V₁H₄H₅>

CQB 900-1和900-4然后被配置成反射模1和4的光子，并且电光泡克耳斯盒1020被操作用来充当四分之一波片。两次穿过盒1020取消了在CQB 900-1中的反射期间出现于模1中的偏振交换。然而，CQB 900-4中的反射交换模4的状态的水平偏振和垂直偏振，将该状态变换为公式22的左手边项给出的形式。在自CQB 900-1和900-4反射之后，PBS 1040将该状态变换为公式22的右手边项给出的形式。CQB 900-2和900-3然后被切换到透射模2和3的光子，并且EOM900-5同时释放模5的光子。电光泡克耳斯盒1030然后实施将模2、3和5的光子置于公式19给出的所期望的状态|P₁>中的偏振交换。因此，在忽略损失的情况下，编码器1000可以产生状态|P₁>的机会是100％，而不管特定的测量结果x。

公式22：

q0|H₁H₄V₅>+q1|V₁V₄H₅>→q0|H₂H₃V₅>+q1|V₂V₃H₅>

检测器1050可检测模2中的光子态是具有偏振态|F₂>还是|S₂>。该测量根据测量结果将状态|P₁>投射进子空间。部分基于测量的前馈操作可然后根据需要校正投射状态用于如下面所描述的破坏性CNOT门或者如T.B.Pittman、B.C.Jacobs和J.D.Franson的“利用偏振分束器的概率量子逻辑操作”(“Probabilistic Quantum Logic OperationsUsing Polarizing Beam Splitters，”Phys.Rev.A，Vol.64，062311(2001))所描述的破坏性CNOT门。为了允许在检测之后使用模2的光子，检测器1050可以是例如W.J.Munro、K.Nemoto、R.G.Beausoleil和T.P.Spiller的“高效量子非破坏性单光子数分辨检测器”(“A High-Efficiency Quantum Non-Demolition Single Photon Number ResolvingDetector，”Phys.Rev.A 71，033819(2005))所描述的非吸收检测器。另外，来自检测器1 050的测量可控制电光泡克耳斯盒1040以根据Pittman等人的CNOT门中的需要校正模3的光子态。

图11示出依照本发明实施例的利用量子子空间投影仪500和四个CQB 900-1至900-4的破坏性CNOT门1100。CNOT门1100还包括45°偏振分束器1120和三个电光泡克耳斯盒1110、1130和1140。在下面进一步描述的示范操作中，将目标态|Ψ₁>输入CQB 900-1并且将控制态|Ψ₂>输入CQB 900-2。然而，应当理解，CNOT门1100的输入模的状态可以互相纠缠或同其它系统(未示出)的量子态纠缠。

在CQB 900-1和900-2以及泡克耳斯盒1110全都切断的情况下，将公式17给出的形式的一般输入态|Ψ₁>输入EOM 900-1。出于确定CNOT门1100对输入态|Ψ₁>的影响的目的，是垂直偏振态|V₂>的控制态|Ψ₂>最初被假定为CQB 900-2的输入。下面考虑的是控制态是水平偏振的情形。

将上述的如由表达式23给出的乘积态施加到45° PBS 1120，45°PBS 1120将输入态变换为公式24给出的形式。公式24表明来自45°PBS 1120的输出态(以检测器1150测得的HV基础表述的)包括是在模3和4的每一个中具有一个光子的状态的叠加的项以及是在一个模3或4中具有两个光子而在另一个模4或3中没有光子的状态的叠加的项。

公式23：

${|\mathrm{\&Psi;}}_1\&rang;\&CircleTimes;|V_2\&rang;=\frac{1}{\sqrt{2}}[q0\left(\right|F_1\&rang;-|S_1\&rang;)+q1\left(\right|F_1\&rang;+|S_1\&rang;)]\&CircleTimes;\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|F_2\&rang;+|S_2\&rang;)$

其中

$|F_i\&rang;=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H_i\&rang;+|V_i\&rang;)\mathrm{and}|S_i\&rang;=\frac{1}{\sqrt{2}}(-|H_i\&rang;+|V_i\&rang;)$

公式24：

$\frac{1}{2}\left[(q0+q1)\right|F_3{F}_4\&rang;-(q0-q1)|S_3{S}_4\&rang;]+\frac{1}{2}\left[(q0+q1)\right|F_3{S}_3\&rang;-(q0-q1)|F_4{S}_4\&rang;]=$

$\frac{1}{2}[q0\left(\right|V_3{H}_4\&rang;+|H_3{V}_4\&rang;)+q1\left(\right|H_3{H}_4\&rang;+|V_3{V}_4\&rang;)]+\frac{1}{4}[(q0-q1)\left(\right|H_4^2\&rang;+\left|V_4^2\right)-(q0+q1)\left(\right|H_3^2\&rang;+|V_3^2\&rang;)]$

量子子空间投影仪500分析与模3和4对应的状态并且根据测量结果x将该状态投射到公式24的单光子项或零/2光子项上。然后将模3和4的状态分别存储在CQB 900-3和900-4中。如果测量结果x指示到单光子项的投射，则可以释放CQB 900-3和900-4中存储的光子而不更改。来自偏振灵敏检测器1150的测量可以Pittman等人描述的方式用来控制泡克耳斯盒1130并且实现非破坏性CNOT门。上面所进行的描述图10中的检测器1050的其它实施例的注释可适用于图11中的检测器1150。

如果测量结果x指示到公式24的零/2光子项上的投射，则CQB900-3和900-4可将存储的光子态返回到45° PBS 1020。45° PBS 1020如公式25所示的那样变换返回状态。然后激活CQB 900-1和泡克耳斯盒1110以在没有导致偏振交换的情况下反射模1中的光子态，并且激活CQB 900-2以在偏振交换的情况下反射模2中的光子态。

公式25：

$\frac{1}{2}\left[(q0+q1)\right|F_3{S}_3\&rang;-(q0-q1)|F_4{S}_4\&rang;]\stackrel{\mathrm{PBS}}{\&RightArrow;}\frac{1}{2}\left[(q0+q1)\right|S_1{F}_2\&rang;-(q0-q1)|F_1{S}_2\&rang;]$

在通过45° PBS 1020返回之后，状态采取公式26的左手边给出的形式。激活CQB 900-3和泡克耳斯盒1130以交换模3中光子的偏振态，并且激活CQB 900-4和泡克耳斯盒1140以交换模4中光子的偏振态，在输入控制态是垂直偏振时导致如公式26所示的那样变换为适当的输出态。公式26的右手边与公式24的左手边上的第一项相同；因此，现在该门必然成功(遵循Pittman等人的协议)。

公式26：

$\frac{1}{2}\left[(q0+q1)\right|S_3{S}_4\&rang;-(q0-q1)|F_3{F}_4\&rang;]\&RightArrow;\frac{1}{2}\left[(q0+q1)\right|F_3{F}_4\&rang;-(q0-q1)|S_3{S}_4\&rang;]$

如果在输入EOM 900-2时假定控制态是水平偏振的，则可以进行与上面类似的分析以表明从45° PBS 1020输出的状态由公式27给出。除了状态|H₃>和|V₃>的交换之外，公式27与公式24相同。这恰好是破坏性CNOT门的成功操作所需的期望行为。因此，可以遵循上面就垂直偏振控制态所述的过程以确保CNOT门1100将在水平偏振控制态的情况下适当地发挥作用。

公式27：

$\frac{1}{2}\left[(q0+q1)\right|F_3{F}_4\&rang;+(q0-q1)|S_3{S}_4\&rang;]-\frac{1}{2}\left[(q0+q1)\right|F_3{S}_3\&rang;+(q0-q1)|F_4{S}_4\&rang;]=$

$\frac{1}{2}[q0\left(\right|H_3{H}_4\&rang;+|V_3{V}_4\&rang;)+q1\left(\right|V_3{H}_4\&rang;+|H_3{V}_4\&rang;)]+\frac{1}{4}[(q0+q1)\left(\right|H_3^2\&rang;-|V_3^2\&rang;)+(q0-q1)\left(\right|H_3^2\&rang;-|V_3^2\&rang;)]$

非破坏性CNOT门可以通过组合量子编码器1000和破坏性CNOT门1100来构建。在这种情况下，可将图10中泡克耳斯盒1030的输出引导至图11中CQB 900-2的输入。来自检测器1050和1150的测量可以Pittman等人描述的方式用来实现以近似确定性操作的非破坏性CNOT门。

依照本发明另一个实施例的非破坏性CNOT门可使用近似确定性的纠缠器、宇称检测器或包含受控移相器的其它量子门。图12A示出依照本发明实施例的基于宇称检测器1290的纠缠器1200的实施例。宇称检测器1290包括对相干探测态|α>起作用的四个受控移相器1210、1215、1220和1225。每个移相器1210、1215、1220或1225可以利用各种结构来实现，这些结构例如包括如上面关于图1和2A所述利用EIT的系统或者利用如耳语廓微型谐振器、光纤、掺杂光纤或光子晶体光纤这样的结构的系统或者同样可产生近似交叉克尔非线性的腔QED系统。如图12A所示，移相器1210和1225具有相等的正相位常数+θ，并且移相器1220和1215具有相等的负相位常数-θ。第一输入模的不同偏振分量控制受控移相器1210和1215，并且第二输入模的不同偏振分量控制受控移相器1220和1225。

图12A示出这两个输入模处于相应的光子态|Ψ_IN>₁和|Ψ_IN>₂的示例，这些光子态将是纠缠的，但是宇称检测器1290的输入模可能更一般地处于不能表述为输入态的乘积的纠缠态。对于所示的示例，这两个输入态具有一般形式|Ψ_IN>₁＝c₀|H₁>+c₁|V₁>和|Ψ_IN>₂＝d₀|H₂>+d₁|V₂>以利用偏振表示法表示量子位。偏振分束器1230和1240分别将输入态|Ψ_IN>₁和|Ψ_IN>₂分成具有正交线性偏振的空间模，它们然后经由在移相器1210、1215、1220和1225中实现的交叉克尔非线性与探测态|α>相互作用。更具体地，状态|Ψ_IN>₁的水平偏振分量c₀|H>₁控制移相器1210，而状态|Ψ_IN>₁的垂直偏振分量c₁|V>₁控制移相器1215。状态|Ψ_IN>₂的水平偏振分量d₀|H>₂控制移相器1220，而状态|Ψ_IN>₂的垂直偏振分量d₁|V>₂控制移相器1225。在移相器1210、1215、1220和1225的操作之后，PBS 1235和1245重新组合水平分量和垂直分量。

在零差检测器1250测量探测态之前，宇称检测器1290的作用如公式28所示的那样演化组合输入态|Ψ₁>|Ψ₂>|α>。公式28表明偶宇称分量|HH>和|VV>导致在探测态|α>中无相移并且相对于彼此保持相干。奇宇称分量|HV>和|VH>导致相应的相移2θ和-2θ，这可允许一般的零差/外差测量区分状态|HV>和|VH>。然而，如果α最初是实数，则如上所述的X正交零差测量将不区分状态|αe^±i2θ>。更具体地，在α是实数的情况下，X正交零差测量将公式28的状态投射到如在公式29中所示的X正交算符的本征态上。

公式28：

|Ψ₁>|Ψ₂>|α>→[c₀d₀|HH>+c₁d₁|VV>]α>+c₀d₁|HV>|αe^i2θ>+c₁d₀|VH>]αe^-i2θ>

公式29：

$\stackrel{X}{\&RightArrow;}|x\&rang;\left(f(x,\mathrm{\&alpha;})\right[c_0{d}_0|\mathrm{HH}\&rang;+c_1{d}_1|\mathrm{VV}\&rang;]+f(x,\mathrm{\&alpha;}\cos \left(2\mathrm{\&theta;}\right))\left[c_0{d}_1{e}^{\mathrm{i\&phi;}\left(x\right)}\right|\mathrm{HV}\&rang;+c_1{d}_0{e}^{-\mathrm{i\&phi;}\left(x\right)}|\mathrm{VH}\&rang;|)$

其中

$f(x,\mathrm{\&beta;})=\frac{1}{2\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}\exp [-\frac{1}{4}{(x-2\mathrm{\&beta;})}^2]$

并且

φ(x)＝αxsin2θ-α²sin4θ

来自零差检测器1250的测量结果x因此根据测量结果x的值以高概率将从PBS 1235和1245输出的状态投射至状态c₀d₀|HH>+c₁d₁|VV>(偶宇称态)或状态c₀d₁e^iφ(x)|HV>+c₁d₀e^-iφ(x)|VH>(奇宇称)。该测量因此检测宇称性并且因此几乎确定性地将偶宇称项与奇宇称项分离。称状态|HH>和|VV>为偶宇称态以及称状态|HV>和|VH>为奇宇称态的选择是任意选择，主要取决于用来将偏振编码的量子位|Ψ_IN>₁和|Ψ_IN>₂转换为路径编码的量子位的PBS 1230和1240的形式/类型。任何其它选择也是可接受的并且在这两个量子位|Ψ_IN>₁和|Ψ_IN>₂之间不必是对称的。

输出奇宇称态c₀d₁e^iφ(x)|HV>+c₁d₀e^-iφ(x)|VH>取决于测量结果x。然而，响应于测量信号x的一个或多个移相器1260可将奇宇称态变为与测量结果x无关的状态c₀d₁|HV>+c₁d₀|VH>。具体地，PBS 1235和1245的四个输入模之一上的单个相移φ(x)或-φ(x)可产生状态c₀d₁|HV>+c₁d₀|VH>直到总相位因子。对于相位校正，零差测量应当足够准确以供前馈产生与测量x无关的状态。实际上，这意味着X正交测量中的不确定性应当比大约2π/(αsin(θ))小得多，这通常可利用比探测态强得多的本地振荡器来实现。

宇称检测器1290因此具有近似确定性地指示测得的宇称性的经典输出信号x。另外，宇称检测器是非吸收的，因为宇称检测器1290提供了具有测量宇称性的输出光子态，如对于偶宇称测量结果为c₀d₀|HH>+c₁d₁|VV>或者对于奇宇称测量结果为c₀d₁|HV>+c₁d₀|VH>。

非吸收宇称检测器1290可如上所述地操作以将2量子位输入态投射到偶宇称态的二维子空间或奇宇称态的二维子空间上。如上面关于图6A和6B所描述的非吸收对称性分析器可同样将2量子位输入态投射到与反对称或单贝尔态对应的一维子空间或者与对称贝尔态对应的三维子空间上。将2量子位状态投射到其它一维子空间、二维子空间或三维子空间可以通过添加状态变换光学部件来实现，如更改输入态和输出态的偏振的波片。

在适当选择输入态量子位|Ψ_IN>₁和|Ψ_IN>₂中振幅c₀、c₁、d₀和d₁的情况下，纠缠器1200中的前馈变换可近似确定性地产生任意纠缠态。例如，如果d₀和d₁等于

，则纠缠器1200输出偶宇称态c₀|HH>+c₁|VV>或奇宇称态c₀|HV>+c₁|VH>。在这个示范实施例中，状态c₀|HH>+c₁|VV>对于编码量子位系数c₀和c₁是所期望的纠缠态。因此，当测量信号x指示偶宇称时，非吸收宇称检测器1290的输出态不需要变化。当测量信号x指示奇宇称态时，可以通过经典受控偏振旋转器来实现的位翻转1270可以对第二输出模起作用，这样奇宇称态c₀|HV>+c₁|VH>变成所期望的纠缠态c₀|HH>+c₁|VV>。系统1200可因此被配置成充当近似确定性的纠缠器。

可改变纠缠器1200的特征以利用非吸收宇称检测器的不同配置来产生依照本发明的某些备选实施例的纠缠器。例如，在上述的图12A所示的实施例中，第一输入模/量子位的水平偏振分量和垂直偏振分量分别控制受控移相器1210和1215，而第二输入模/量子位的水平偏振分量和垂直偏振分量分别控制受控移相器1220和1225。水平偏振分量控制的移相器1210和1220的相位常数是相反的，以使状态|HH>在探测态中不导致净相移。同样地，垂直偏振分量控制的移相器1215和1225的相位常数是相反的，以使状态|VV>在探测态中不导致净相移。备选配置可利用输入模/量子位的不同分量来控制移相器1210、1215、1220和1225，例如，以使状态|HV>和|HV>不导致净相移。另一方面，还可使用45°偏振分束器或具有偏振改变元件的分束器以使不同偏振分量不导致净相移，例如，以使状态|H+V，H+V>和|H-V，H-V>或者另一对偏振态不导致净相移。更一般地，可以设计宇称检测器，以使宇称检测器中的零差测量将输入态投射到2量子位状态的任何所期望的二维子空间。利用上述前馈，宇称检测器可以和显而易见的修改一起使用以生成纠缠态。

宇称检测器和/或纠缠器的其它实施例可以将除偏振之外的特性用于分离控制移相器的分量。例如，图12B示出宇称检测器1290B和纠缠器1200B，它们与图12A的宇称检测器1290和纠缠器1200相似但是使用状态分离器1232和1242以及状态组合器1237和1247来代替偏振分束器1230、1240、1235和1245。状态分离器1232和1242以及状态组合器1237和1247的实现一般将取决于分量的区别特性。例如，全息图可分离和重新组合输入态的角动量分量，以使单独的角动量分量控制受控移相器。具有适当的定时控制的光学开关同样可以在利用时间仓编码的实施例中充当分量分离器和组合器。利用这样的变化，宇称检测器1290B中的零差测量将输入态|Ψ_IN>₁₂投射到由分离的分量界定并且由测量结果x标识的二维子空间。

图12B还示出在重新组合分离的分量之后纠缠器1200B可如何实施前馈状态校正。具体地，纠缠器1200B具有前馈校正系统1275，该前馈校正系统1275被放置在状态组合器1237和1247之后并且替代了纠缠器1200的经典受控移相器1260和位翻转1270。在纠缠器1200B的一个实施例中，校正系统1275包含与移相器1260和位翻转1270对应的光学元件并且在测量信号x的控制下实施上述功能。这可能需要重新分离一个或多个模/量子位的分量，但是在使所有条件相移和位翻转能够一起实施方面可能是有利的。例如，纠缠器1200B可以和同样需要前馈状态校正的其它量子门或系统1280一起使用。在这样的系统中，校正系统1275可接收来自宇称检测器1290B和其它量子系统1280的多个测量信号x和x′并且同时实施系统1200B和1280所需的净校正。

图12C示出依照本发明实施例的需要较少的受控移相器的纠缠器1200C。具体地，纠缠器1200C包括非吸收宇称检测器1290C，该非吸收宇称检测器1290C仅利用两个移相器1210和1220而不是如在纠缠器1200或1200B中使用的四个移相器。在图12C中，受控移相器1210具有相位常数θ并且在输入光子态|Ψ_IN>₁₂的第一模/量子位的一个分量的控制下对探测态起作用。受控移相器1220具有是受控移相器1210的相位常数θ的负数的相位常数-θ并且在输入光子态|Ψ_IN>₁₂的第二模/量子位的匹配分量的控制下对探测态起作用。因此，输入量子位的如水平偏振分量的匹配分量分别控制受控移相器1210和1220对探测态|α>的作用，但是其它的配置也是可能的。利用所示的配置，状态|HH>在探测态中不导致净相移，因为受控移相器1210和1220导致相反的相移。状态|VV>不导致净相移，并且状态|HV>和|VH>在探测态中导致相反的非零相移。因此，除相移的大小之外，图12C的宇称检测器1290C和纠缠器1200C的操作基本上与宇称检测器1290或1290C和纠缠器1200或1200B相同。

图13示出依照本发明的又一个实施例的纠缠器1300。纠缠器1300包括输入偏振分束器1310、子空间投影仪1320、输出偏振分束器(或组合器)1330和经典受控位翻转系统1340。

偏振分束器(PBS)1310接收在偏振基础中由状态|Ψ_IN>₁和|Ψ_IN>₂表示的输入量子位。在示范实施例中，状态|Ψ_IN>₁表示将要被编码为纠缠态的量子位，如|Ψ_IN>₁＝c₀|H₁>+c₁|V₁>，而状态|Ψ_IN>₂是已知的状态，如 $|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{IN}}{\&rang;}_2=\frac{1}{\sqrt{2}}|H_2\&rang;+\frac{1}{\sqrt{2}}|V_2\&rang;.$ PBS 1310的作用维持对称态|HH>和|VV>但是当输入状态|HV>或|VH>时输出在一个模中具有两个光子而在另一个模中无光子的状态|HV，0>或|0，HV>。在纠缠器1300的示范实施例中来自PBS 1310的输出态的形式可因此是

$\frac{c_0}{\sqrt{2}}|H_1{H}_2\&rang;+\frac{c_1}{\sqrt{2}}|V_1{V}_2\&rang;+\frac{c_0}{\sqrt{2}}|H_1{V}_1,0\&rang;+\frac{c_1}{\sqrt{2}}|0,H_2{V}_2\&rang;.$

子空间投影仪1320将PBS 1310的输出态投射到包括在每个模中具有一个光子的状态的子空间上或者包括在一个模中具有两个光子而在另一个模中无光子的状态的子空间上。具体地，对于示范的输入态，子空间投影仪1320根据测量结果x输出状态c₀|H₁H₂>+c₁|V₁V₂>或c₀|H₁V₁，0>+c₁|0，H₂V₂>。适合的子空间投影仪1320可以例如具有与上述的子空间投影仪500A或500B相同的结构和操作，但是另一方面可使用提供指示PBS 1310的输出态是否对称的测量的任何系统。

输出PBS 1330将在一个模中具有两个光子的状态|HV，0>和|0，HV>转换回在每个模中具有一个光子的状态|HV>或|VH>。结果，在本发明的示范实施例中，来自PBS 330的输出态是状态c₀|H₁H₂>+c₁|V₁V₂>或c₀|H₁V₂>+c₁|V₁H₂>。因此，对于一个测量结果，PBS 330输出所期望的纠缠态c₀|H₁H₂>+c₁|V₁V₂>，并且不需要状态校正。对于另一个测量结果，PBS 330输出状态c₀|H₁V₂>+c₁|V₁H₂>，并且在测量信号x的控制下位翻转1340将输出态变换为所期望的形式c₀|H₁H₂>+c₁|V₁V₂>。(该位翻转对应于水平偏振和垂直偏振的交换并且可利用泡克耳斯盒来实现)。

纠缠器1200、1200B、1200C和1300如上所述是近似确定性的并且可用于有效的非吸收CNOT门。图14A示出依照本发明实施例的非吸收CNOT门1400的一个示例。CNOT门1400包括纠缠器1410和45°纠缠器1415。纠缠器1410可以和上述的任何纠缠器相同。45°纠缠器1415使与偏振对应的相对基础状态呈45°角的状态纠缠。45°纠缠器1415可通过添加使输入光束和输出光束的偏振向量旋转45°的如四分之一波片的光学元件1417来构建。另一方面，在利用45°偏振分束器替代PBS 1230、1235、1240和1245之后，45°纠缠器1415可以与纠缠器1200、1200B或1200C相同。

CNOT门1400还包括极大纠缠态的源1405。源1405可以是能够产生纠缠光子对的任何系统，包括但不限于利用参数降频转换、非线性光纤或如上所述产生所期望的纠缠态的纠缠器的系统。

利用公式30给出的形式的初态，纠缠器1410的作用如公式31所示的那样演化输入态以使输入态|Ψ_IN>₁的模1的光子与来自源1405的模3的光子极大纠缠。检测器1460测量模3的状态是处于偏振态 $|S_3\&rang;=\frac{1}{\sqrt{2}}[|H_3\&rang;+|V_3\&rang;]$ 还是 $|F_3\&rang;=\frac{1}{\sqrt{2}}[|H_3\&rang;-|V_3\&rang;].$ 在本发明的示范实施例中，检测器1460是包括将模3的状态分成分别与状态|S₃>和|F₃>成比例的偏振分量的45°PBS 1420的非吸收检测器1460并且利用非吸收检测器1430检测具有相应偏振的光子。非吸收检测器的使用不是必需的，但是允许重建和输出光子态以用于别处。

公式30：

$|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{IN}}{\&rang;}_1\&CircleTimes;\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H_3{H}_4\&rang;+|V_3{V}_4\&rang;)\&CircleTimes;{|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{IN}}\&rang;}_2=$

$\left[c_0\right|H_1\&rang;+c_1|V_1\&rang;]\&CircleTimes;\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H_3{H}_4\&rang;+|V_3{V}_4\&rang;)\&CircleTimes;\left[d_0\right|H_2\&rang;+d_1|V_2\&rang;]$

公式31：

$|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{IN}}{\&rang;}_1\&CircleTimes;\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|HH\&rang;+|VV\&rang;)\&CircleTimes;{|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{IN}}\&rang;}_2\&RightArrow;$

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left[c_0\right|H_1{H}_3{H}_4\&rang;+c_1|V_1{V}_3{V}_4\&rang;]\&CircleTimes;\left[d_0\right|H_2\&rang;+d_1|V_2\&rang;]$

检测器1460测量之后的有条件状态的形式在公式32中示出，其中在测量结果标识状态|S₃>时得到加号而在测量结果标识状态|F₃>时得到减号。当来自检测器1460的测量标识状态|F₃>时，简单的前馈系统可实施符号翻转1470，以使左手侧的运算产生公式33的状态，而不管来自检测器1460的测量结果。

公式32：

$\&RightArrow;\frac{1}{\sqrt{2}}\left[c_0\right|H_1{H}_4\&rang;\&PlusMinus;c_1|V_1{V}_4\&rang;]\&CircleTimes;\left[d_0\right|H_2\&rang;+d_1|V_2\&rang;]$

公式33：

$|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{OUT}}{\&rang;}_1\&CircleTimes;|4\&rang;\&CircleTimes;|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{IN}}{\&rang;}_2\&RightArrow;\frac{1}{\sqrt{2}}[c_0|H_1{H}_4\&rang;+c_1|V_1{V}_4\&rang;]\&CircleTimes;[d_0|H_2\&rang;+d_1|V_2\&rang;]$

45°纠缠器1415使来自源1405的模4的光子态和模2的输入态|Ψ_IN>₂纠缠以将总状态变换为公式34中所示的形式。检测器1465测量模4中光子的偏振态。在示范实施例中，检测器1465是包括分离模4的光子态的PBS 1425以及测量模4的光子的分离分量的非吸收检测器1435和1445的非吸收检测器。更一般地，检测器1435和1445不要求是非吸收的，但是利用非吸收检测器1435和1445允许重新组合分量以形成可用于其它用途的输出态。如果检测器1465在垂直偏振光子中检测到模4，则实施交换水平偏振和垂直偏振的位翻转1475。来自这些相互作用和前馈操作的终态在公式35中给出，这是对利用偏振编码表示量子位的输入态|Ψ_IN>₁和|Ψ_IN>₂的CNOT操作的正确结果。

公式34：

$|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{OUT}}{\&rang;}_1\&CircleTimes;|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{IN}}{\&rang;}_2\&RightArrow;\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\right[c_0|H_1\&rang;-c_1|V_1\&rang;\left](d_0-d_1)\right|F_4{F}_2\&rang;+\left[c_0\right|H_1\&rang;+c_1|V_1\&rang;](d_0+d_1)\left|S_4{S}_2\right]$

公式35：

$|{\mathrm{\&Psi;}}_{\mathrm{OUT}}{\&rang;}_{12}\&RightArrow;\frac{1}{2}[c_0{d}_0|H_1{H}_2\&rang;+c_0{d}_1|H_1{V}_2\&rang;+c_1{d}_0|V_1{V}_2\&rang;+c_1{d}_1|V_1{H}_2\&rang;]$

公式35示出门1400已经实施了CNOT操作。另外，因为该CNOT操作基本上与纠缠器1410和1415中的测量结果无关，所以该操作是近似确定性的并且高效率地正确成功完成。根据不同的理解，纠缠器1410和1415有效地充当了不允许光子聚束效应的偏振分束器。在没有这些光子聚束效应的情况下，简单的前馈操作使CNOT门1400能够成为近似确定性的。这意味着在实现单光子量子逻辑的物理资源上的大量节约。

图14B示出利用三个输入光子态而不是图14A的CNOT门1400中所使用的四个输入光子态的近似确定性的CNOT门1400B的另一个示例。CNOT门1400B的三个输入态是利用偏振编码表示控制量子位和目标量子位的状态|Ψ_IN>₁和|Ψ_IN>₂和形式为

的辅助“模3”的状态。在这个实施例中，从纠缠器1410到45°纠缠器1415的输出模被称为模4。利用这个约定，可以表明由纠缠器1410对控制态|Ψ_IN>₁和模3的状态操作而产生的状态由上面的公式33给出。CNOT门中纠缠器的类似操作的进一步描述可以在T.B.Pittman、M.J.Fitch、B.C.Jacobs和J.D.Franson的“符合基础中单光子的试验受控非逻辑门”(“Experimental Controlled-NOT Logic Gate For SinglePhotons In The Coincidence Basis，”Phys.Rev.A 68，032316(2003))中找到。在上面就图14A的CNOT门1400对45°纠缠器1415、检测器1465和位翻转1475的操作和构造进行了描述。因此，在这里不重复该描述。

图14B还示出纠缠器1410与图12C的纠缠器1200C基本相同并且除了用45°偏振分束器替代偏振分束器之外45°纠缠器1415与纠缠器1410相同的特定实现。然而，另一方面可利用纠缠器的其它实施例。

非吸收检测还可以用来将现有的概率量子门变成近似确定性的量子门。在本文被称为KLM CNOT的已知的概率CNOT门的示例由Knill等人的“一种利用线性光学部件进行有效量子计算的方案”(“AScheme for Efficient Quantum Computation with Linear Optics，”Nature409，47(2001))进行了描述。图15示出基于概率KLM CNOT的近似确定性的CNOT门1500。与KLM CNOT门类似，CNOT门1500包括输入偏振分束器1510和1515、非偏振分束器1520和1525、非线性符号(NS)门1530和1535、非偏振分束器1540和1545以及输出偏振分束器1550和1555。然而，在CNOT门1500中，通过使用如下面进一步描述的非吸收检测可使NS门1530和1535更有效。

在示范的CNOT操作期间，偏振分束器1510和1515分别接收是偏振编码的单光子状态的控制量子位和目标量子位。每个分束器1510或1515分离对应输入态的偏振分量以将对应的量子位转换为“哪个路径”的编码。偏振旋转器(未示出)可以添加到PBS 1525的输出模之一，以使两种模对应于相同的光子偏振。在分束器1525干涉来自控制量子位和目标量子位的分量之前，分束器1520在目标量子位上实施哈达默(Hadamard)变换。非偏振分束器1525可导致将两个光子聚束到相同的模中。具体地，提供一个光子到分束器1525的每个输入模的状态可产生两个光子都处于朝向NS变动门1520的输出模或者朝向NS变动门1535的输出模的状态。理论上，如公式36所示，每个NS门1530和1535变换是包含0个、1个和2个光子的福克态的线性组合的状态，以使每个NS门1530仅仅对2光子分量状态引入符号变动。分束器1540取消聚束，以使除了在每个输出模中具有一个光子的分量上的符号变化之外，分束器1540的输出模的状态与分束器1525的输入模的状态相同。作为此符号变化的结果，从分束器1545输出的哪个路径编码的量子位是CNOT操作所需的状态。偏振分束器1550和1560可然后将哪个路径的量子位转换回偏振编码的量子位。

公式36：

除了非线性符号(NS)门，已知的KLM CNOT门是确定性的。常规的概率NS门仅仅成功实施了公式36的运算以获得某些测量结果特征，这可能出现的机会小于25％。因此，常规的KLM CNOT可能在16次中仅仅有1次成功地实施了CNOT操作。正如下面进一步描述的，CNOT门1500利用NS门1530和1535来扩充，它们利用非吸收检测来改进NS门1530和1535的效率。

图16A示出近似确定性的非线性符号(NS)门1600的实施例。NS门1600包括三个非偏振分束器1610、1620和1630、两个非吸收检测器1640和1650以及在NS门1600的输出侧和输入侧的循环量子缓冲器1660和1670。在操作中，将分别包含0个和1个光子的已知的福克态|0>和|1>施加于分束器1610的输入模。将公式36中所示形式的输入态

和分束器1610的输出模之一施加于分束器1620的输入模，并且将来自分束器1610和1620中的每一个的一个输出模施加于分束器1630的对应输入模。通常，NS门内的光路长度和输入信号的定时使得分束器1610、1620和1630导致输入光子态的干涉。

非吸收检测器1640和1650测量分束器1630的输出模上的光子数同时保持光子态的其它特性。非吸收检测器1640和1650输出相应的测量信号X1和X2以及相应的测量光子态。在示范实施例中，每个非吸收检测器1640或1650包括在分束器1630的输出模控制下的偏振保持相位门和如上所述测量探测态中相位变化的测量系统。在适当选择相应的表征非偏振分束器1610、1620和1630的角度θ₁、θ₂和θ₃以及透射率T₁、T₂和T₃的情况下，如果非吸收检测器1640检测到单光子并且非吸收检测器1650没有检测到光子，则分束器1620的一个输出模的状态将是公式36的状态

。对于NS门的一个实施例，角度θ₁、θ₂和θ₃满足公式37。(参见Knill等人的“一种利用线性光学部件进行有效量子计算的方案”(“A Scheme for Efficient QuantumComputation with Linear Optics，”Nature 409，47(2001))和实现此结果的分束器特性的描述的在线补充信息)。然而，如果检测器1640和1650未能分别检测到一个和零个光子，则输出态将不能具有所期望的状态

的形式。对于与图16A对应的常规的KLM CNOT，未能产生所期望的输出态发生的机会大约为75％，这使得常规的KLM CNOT门效率低下。

公式37：

$T_1={\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_1=1/(4-2\sqrt{2})$

$T_2={\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_2=1/(3-2\sqrt{2})$

T₃=cos²θ₃=T₁

NS门1600使用非吸收检测器1640和1650，它们识别来自分束器1630的输出模是处在与成功产生所期望的状态

对应的状态还是处在与未能产生所期望的状态

对应的状态。例如，如果来自检测器1640的测量信号X1指示一个光子以及来自检测器1650的测量信号X2指示无光子，则测量结果X可指示成功的门操作。如果测量结果X指示产生所期望的状态

则缓冲器1660透射所期望的状态并且NS门1600已经成功地实施了校正操作。如果测量结果X指示未能产生所期望的状态，则该测量信号设置缓冲器1660反射光子态使其反向通过NS门1600，以使光子有效地折返其路径回到在NS门1600的输入侧的缓冲器1670。该回程取消了变化并且使光子返回到状态

|0>和|1>。缓冲器1670因而是反射的，以使对于另一次试图产生所期望的状态

而返回状态

|0>和|1>。以这种方式，可通过NS门1600来回地传送原始的光子态，并且在先前穿过NS门1600时未能产生所期望的状态

的光子态可因此仍然在随后的通过中成功生成所期望的状态

NS门1600可因此提供高得多的效率或成功概率并且可在足够多的通过的情况下接近近似确定性的成功。

图16B示出利用非吸收检测器增加成功操作概率的另一个NS门1600B。在NS门1600B中，将状态

和|1>施加于分束器1610的输入模，并且将状态|0>和分束器1610的一个输出模施加于分束器1620的输入模。非吸收检测器1640和1650分别在分束器1620的一个输出模和分束器1610的可用的输出模上。在适当选择分束器1610和1620的表征角θ₁和θ₂的情况下，非吸收检测器1650检测到单光子并且非吸收检测器1640检测到无光子的测量结果指示分束器1620的非测得的输出模处于所期望的状态在第一次穿过NS门1600B时成功生成状态

的概率为大约23％，这是具有与NS门1600B类似结构的常规的概率NS门的成功百分比。然而，NS门1600B包括在测量结果指示失败时将输出光子反射回到NS门1600B中的循环量子缓冲器1660，并且与缓冲器1670结合，缓冲器1660可重复返回光子直至生成所期望的状态

非吸收检测器可更一般地用来改进其它概率门的效率。图17示出基于已知的概率门的一般量子门1700。量子门1700包括输入相干量子缓冲器1710、概率门1720和输出相干量子缓冲器1730。概率量子门1720包括光学系统1722(如线性光学系统)和非吸收检测器1724。光学系统1722可以和在已知的使用检测器测量来引发光子态的非线性相互作用的概率量子门中使用的光学系统相同，但是依照本发明的一个方面，概率量子门1720使用非吸收检测器1724来代替破坏正被测量的光子态的常规检测器。在操作中，将概率门1720所需的输入光子态和辅助光子态通过CQB 1710输入，并且非吸收检测器1724确定门1720是否已经成功地产生了正确的输出态。如果是，则通过CQB 1730透射输出态。如果不是，则来自检测器1724的测量信号将CQB 1710和1730切换到它们的反射状态。输出光子态和辅助光子态然后通过门1720返回到CQB 1710，CQB 1710重新输入光子态回到门1720以用于另一个产生所期望的输出的机会。每次额外穿过门1720为成功的门操作提供了另一次机会。门1700因此具有比门1720或对应的常规概率门更高的成功操作概率。

尽管已经参考特别的实施例对本发明进行了描述，但是本说明书仅提供了本发明应用的示例并且不应当认为是一种限制。例如，尽管可以利用如乘积态的特定输入态对本发明的特定实施例的操作进行描述或说明，但是上述实施例可更一般地对包括纠缠态和混合态的任何适合的量子态起作用。所公开的实施例的特征的各种其它改变和组合属于由下面的权利要求书所界定的本发明的范围。

Claims (29)

1.一种量子相干系统，包含：

第一受控移相器(1210)，具有第一相位常数；

第二受控移相器(1220)，具有是所述第一相位常数的负数的第二相位常数；

探测电磁模，穿过所述第一受控移相器(1210)和所述第二受控移相器(1220)；

检测器(1250)，被放置以测量所述探测电磁模中的相移；

第一状态分离器(1232)，具有第一输出模和第二输出模，其中所述第一状态分离器(1232)的第一输出模控制所述第一受控移相器(1210)；以及

第二状态分离器(1242)，具有第一输出模和第二输出模，其中所述第二状态分离器(1242)的第一输出模控制所述第二受控移相器(1220)。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一状态分离器(1232)包含第一偏振分束器(1230)，并且所述第二状态分离器(1242)包含第二偏振分束器(1240)。

3.如权利要求1或2所述的系统，还包含：

第三受控移相器(1215)，具有所述第二相位常数并且受所述第一状态分离器(1232)的第二输出模控制；以及

第四受控移相器(1225)，具有所述第一相位常数并且受所述第二状态分离器(1242)的第二输出模控制。

4.如权利要求1、2或3所述的系统，还包含：

第一状态组合器(1237)，被放置以重新组合所述第一状态分离器(1232)的第一模和第二模；以及

第二状态组合器(1247)，被放置以重新组合所述第二状态分离器(1242)的第一模和第二模。

5.如前面任一项权利要求所述的系统，还包含在来自所述检测器(1250)的测量信号控制下的状态校正光学部件(1260)。

6.如前面任一项权利要求所述的系统，其中所述系统作为纠缠器(1200)工作。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述纠缠器(1200)在CNOT门(1400)中使用。

8.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述系统作为宇称检测器(1290)工作。

9.一种宇称检测器，包含：

第一受控移相器(1210)，具有第一相位常数；

第二受控移相器(1220)，具有是所述第一相位常数的负数的第二相位常数；

探测电磁模，穿过所述第一受控移相器(1210)和所述第二受控移相器(1220)；

测量系统(1250)，被放置以测量所述探测电磁模中的相移；

第一偏振分束器(1230)，具有第一输出模和第二输出模，其中所述第一偏振分束器(1230)的第一输出模控制所述第一受控移相器(1210)；以及

第二偏振分束器(1240)，具有第一输出模和第二输出模，其中所述第二偏振分束器(1240)的第一输出模控制所述第二受控移相器(1220)。

10.如权利要求9所述的宇称检测器，还包含：

第三受控移相器(1215)，具有所述第二相位常数并且受所述第一偏振分束器(1230)的第二输出模控制；以及

第四受控移相器(1225)，具有所述第一相位常数并且受所述第二偏振分束器(1240)的第二输出模控制。

11.如权利要求9或10所述的宇称检测器，还包含在来自所述测量系统(1250)的信号控制下的状态校正光学部件(1260)。

12.如权利要求11所述的宇称检测器，其中所述校正光学部件(1260)响应于所述测量系统(1250)指示所述第一偏振分束器(1230)和所述第二偏振分束器(1240)的输出模的状态具有第一宇称性而改变所述状态。

13.如权利要求9、10或11所述的宇称检测器，其中所述测量系统(1250)以高概率将所述第一偏振分束器(1230)和所述第二偏振分束器(1240)的输出模的状态投射到第一状态和第二状态之一上，所述第一状态具有第一宇称性以及所述第二状态具有与所述第一宇称性不同的第二宇称性。

14.如权利要求9至13中任一项所述的宇称检测器，其中所述测量系统(1250)包含零差检测器。

15.一种纠缠器，包含如权利要求9至14中任一项所述的宇称检测器，并且还包含位翻转系统(1270)，所述位翻转系统(1270)响应于来自所述测量系统(1250)的经典信号而对所述第一偏振分束器(1230)和所述第二偏振分束器(1240)之一的输出模的状态起作用。

16.一种CNOT门，包含：

第一纠缠装置(1410)，用于使所述CNOT门的控制模的光子态与辅助模的光子态纠缠，其中所述第一纠缠装置使与第一偏振基础对应的光子态的分量纠缠；

第二纠缠装置(1415)，用于使所述第一纠缠装置的输出辅助模的光子态与所述CNOT门的目标模的光子态纠缠，其中所述第二纠缠装置使与第二偏振基础对应的光子态的分量纠缠，所述第二偏振基础不同于所述第一偏振基础；

装置(1465)，用于测量所述第二纠缠装置(1415)的输出辅助模的偏振态；以及

装置(1475)，用于更改所述第二纠缠装置(1415)的输出目标模的偏振态，其中所述第一纠缠装置(1410)和所述第二纠缠装置(1415)中的至少一个包含如权利要求15所述的纠缠器。

17.一种宇称检测器，包含：

装置(1230)，用于分离第一光子态的第一分量和第二分量；

装置(1240)，用于分离第二光子态的第一分量和第二分量；

装置(1210)，用于使光子探测态的相位偏移，偏移等于第一相位常数和所述第一光子态的第一分量中的光子数的乘积；

装置(1210)，用于使所述光子探测态的相位偏移，偏移等于第二相位常数和所述第二光子态的第一分量中的光子数的乘积；以及

装置(1250)，用于测量所述光子探测态中的净偏移。

18.如权利要求17所述的宇称检测器，其中所述第二相位常数是所述第一相位常数的负数。

19.如权利要求17或18所述的宇称检测器，还包含：

装置(1215)，用于使所述光子探测态的相位偏移，偏移等于所述第二相位常数和所述第一光子态的第二分量中的光子数的乘积；以及

装置(1225)，用于使所述光子探测态的相位偏移，偏移等于第一相位常数和所述第二光子态的第二分量中的光子数的乘积。

20.如权利要求17、18或19所述的宇称检测器，还包含装置(1260)，用于响应于所述测量装置(1260)检测到所述净偏移具有第一值而改变所述第一光子态和第二光子态的至少之一。

21.一种纠缠器，包含如权利要求17至20中任一项所述的宇称检测器，并且还包含装置(1270)，用于响应于所述测量装置(1260)检测到所述净偏移具有所述第一值而对所述第一光子态和第二光子态之一实施位翻转操作。

22.一种CNOT门，包含：

第一纠缠装置(1410)，用于使所述CNOT门的控制模的光子态与辅助模的光子态纠缠，其中所述第一纠缠装置区分与第一偏振基础对应的光子态的分量并使其纠缠；

第二纠缠装置(1415)，用于使所述第一纠缠装置的输出辅助模的光子态与所述CNOT门的目标模的光子态纠缠，其中所述第二纠缠装置区分与第二偏振基础对应的光子态的分量并使其纠缠，所述第二偏振基础不同于所述第一偏振基础；

装置(1465)，用于测量所述第二纠缠装置(1415)的输出辅助模的偏振态；以及

装置(1475)，用于更改所述第二纠缠装置(1415)的输出目标模的偏振态，其中所述第一纠缠装置(1410)和所述第二纠缠装置(1415)中的至少一个包含如权利要求21所述的纠缠器。

23.一种纠缠器，包含：

第一偏振分束器(1310)，具有第一输入模和第二输入模以及第一输出模和第二输出模；

非吸收子空间投影仪(1320)，将所述第一偏振分束器(1310)的第一输出模和第二输出模的状态投射到第一状态子空间和第二状态子空间之一上，所述第一状态子空间在所述第一输出模和第二输出模中的每个输出模中具有一个光子，所述第二状态子空间在所述第一输出模和第二输出模中的一个输出模中具有两个光子以及在所述第一输出模和第二输出模中的另一输出模中无光子；

第二偏振分束器(1330)，将所述第一偏振分束器的第一输出模和第二输出模分别作为第一输入模和第二输入模；以及

偏振更改系统(1340)，响应于来自所述非吸收子空间投影仪(1320)的信号而对第二偏振分束器(1330)的输出模实施位翻转操作。

24.如权利要求23所述的纠缠器，其中所述非吸收子空间投影仪(1320)包含：

第一偏振保持受控移相器(400-1)，用于使光子探测态的相位偏移，偏移等于第一相位常数和所述第一偏振移相器(1310)的第一输出模中的光子数的乘积；

第二偏振保持受控移相器(400-2)，用于使所述光子探测态的相位偏移，偏移等于第二相位常数和所述第一偏振移相器(1310)的第二输出模中的光子数的乘积，所述第二相位常数是所述第一相位常数的负数；以及

测量系统(530)，用于测量所述光子探测态中的净偏移并且产生控制所述偏振更改系统(1340)的经典信号。

25.如权利要求23或24所述的纠缠器，其中表示将要被编码为纠缠态的量子位的光子态在所述第一偏振分束器(1310)的第一输入模上输入，并且已知状态在所述第一偏振分束器(1310)的第二输入模上输入。

26.一种量子相干系统，包含：

概率量子门(1720)的光学部件(1722)；

非吸收检测器系统(1724)，被耦合以测量所述概率量子门(1720)的辅助态；

在所述非吸收检测器系统(1724)控制下的输出反射器系统(1730)，其中所述输出反射器系统(1730)响应于所述非吸收检测器系统(1724)提供指示成功操作的测量结果而输出所述概率量子门(1720)的目标输出态，并且响应于所述非吸收检测器系统(1724)提供指示失败操作的测量结果而返回所述目标态和辅助态，所述目标态和辅助态反向通过所述概率量子门(1720)；以及

输入反射器系统(1710)，用于再循环所有返回状态作为所述概率量子门(1720)的输入。

27.如权利要求26所述的系统，所述概率量子门(1720)包含非线性符号门。

28.一种用于实施量子相干操作的方法，包含：

把将要对其实施所述量子相干操作的一个或多个目标态以及一个或多个辅助态引导进概率量子门(1720)；

利用非吸收检测器系统(1724)测量所述概率量子门(1720)的一个或多个辅助态；

响应于来自所述非吸收检测器系统(1724)的指示所述概率量子门(1720)成功实施了所述量子相干操作的测量结果而输出所期望的状态；

响应于所述测量结果指示所述概率量子门(1720)在实施所述量子相干操作时失败而将由所述非吸收检测器系统(1724)和所述概率量子门(1720)输出的状态返回到所述概率量子门(1720)中，据此所返回的状态变为输入所述概率量子门(1720)的目标态和辅助态；以及

重复所述引导、测量和输出或返回的步骤。

29.如权利要求28所述的方法，其中所述概率量子门(1720)包含非线性符号门。

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