CN105680955A - 贝尔态的转换方法、转换系统及应用 - Google Patents

Abstract

一种贝尔态的转换方法，包括：使处在贝尔态的两个量子比特的任意一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过调相而被施加不同的相位。以及一种贝尔态的转换系统和上述转换方法在量子领域的应用。本发明通过在不同时刻对量子比特的两个本征态施加相应相位的设计，使得实现贝尔态转换的局域操作灵活多变，可增强某些量子通信(如确定性量子密钥分配)的安全性，另外，该设计可以方便地集成多种贝尔态的局域操作。

Description

贝尔态的转换方法、转换系统及应用

技术领域

本发明属于量子信息技术领域，具体涉及贝尔态的转换方法和转换系统，适用于量子精密测量、量子通信、量子计算等应用领域。

背景技术

贝尔态(Bellstates)被定义为两个量子比特的最大纠缠态。贝尔态有四个： $|{\mathrm{\Φ}}^{\±}>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|0{>}_a|0{>}_b\±|1{>}_a\left|1{>}_b\right),|{\mathrm{\Ψ}}^{\±}>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|0{>}_a|1{>}_b\±|1{>}_a\left|0{>}_b\right),$ 其中|0>和|1>代表泡利矩阵δ_z的两个相互正交的本征态，下标a和b分别表示量子比特a和b。作为重要的量子资源，贝尔态广泛应用于量子精密测量、量子计算和量子通信等领域。贝尔态的转换是指从一个贝尔态转换为另外一个贝尔态。转换的实现依赖于对量子比特a和b中的一个或者两个进行局域操作，例如局域操作δ_x和δ_z。其中，操作δ_x实现本征态|0>和|1>的反转，即δ_x{|0>，|1>}＝{|1>，|0>}，δ_x可实现如下的贝尔态转换： 操作δ_z在本征态|0>和|1>之间引入相位差π，即δ_z{|0>，|1>}＝{|0>，e^iπ|1>}，δ_z可实现贝尔态转换：通过δ_x和δ_z的组合操作即可实现单一贝尔态到任意贝尔态的转换。下面以常见的偏振纠缠和时间窗(time-bin)纠缠的δ_z操作为例，说明当前转换方法存在的问题。

以偏振纠缠的δ_z操作为例，目前常见的实现方法是利用调相器或者是分数波片(1/2或者1/4波片)，直接在本征态水平偏振|H>和竖直偏振|V>之间引入相位差π[M.Ostermeyeretal，OpticsCommunications，281，4540(2008)；K.Mattleetal，Phys.Rev.Lett.76，4656(1996)]。调相器方法的缺点在于，调相器的调制效果和插入损耗都是偏振相关的，很难做到对两个偏振态完全对称，而且这种实现方式只能使用特定工艺的调相器；而分数波片方法的缺点在于，调制速度过慢，很难满足通信要求。

以时间窗(time-bin)纠缠的δ_z操作为例，目前较为常见的实现方法是利用不等臂干涉仪结合调相器，直接在本征态前时间窗态|S>和后时间窗态|L>之间引入相位差π[W.Titteletal，Phys.Rev.Lett.84，4737(2000)]。该方法的缺点在于，需要对转换后的态进行后选择，操作复杂且效率大大降低，不易进行组合操作。

另外，随机执行等效操作(如δ_z和-δ_z)可以保证某些量子通信的安全性[Han，Yun-Guang，etal.″SecurityofmodifiedPing-Pongprotocolinnoisyandlossychannel.″Scientificreports4，4936(2014).]，然而上述贝尔态的转换方法不能实现这类等效操作。

总之，目前已有的贝尔态转换方式已不能满足量子计算和量子通信中稳定、高速、高效和安全性的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种贝尔态转换方法和转换系统，以克服以上所述贝尔态转换方式速度和效率等方面的问题。

为解决上述技术问题，实现本发明目的，本发明提出了一种贝尔态的转换方法，所述转换方法包括：

使处在贝尔态两个量子比特的任意一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过调相而被施加不同的相位。

根据本发明的一种具体实施方案，所述贝尔态为处在偏振纠缠的贝尔态。

根据本发明的一种具体实施方案，所述贝尔态为处在时间窗纠缠的贝尔态。

根据本发明的一种具体实施方案，使所述两个量子比特的任意一个量子比特通过含调相器的Sagnac环，所述调相器在Sagnac环内被非对称放置。

根据本发明的一种具体实施方案，使所述两个量子比特的任意一个量子比特通过调相器和法拉第旋转反射镜。

另外，本发明还提供一种贝尔态的转换方法，其中，所述转换方法包括：

使处在贝尔态的两个量子比特的其中一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过第一调相而被施加不同的相位，同时使另一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过第二调相而被施加不同的相位。

而且，本发明还提供一种贝尔态的转换系统，其中，所述转换系统包括：

含调相器的转换装置，使处在贝尔态的两个量子比特的任意一个量子比特通过该装置后，两个本征态在不同的时刻经过调相而被施加不同的相位。

根据本发明的一种具体实施方案，上述转换系统中，所述含调相器的转换装置包括含调相器的Sagnac环，所述调相器在Sagnac环内被非对称放置。

根据本发明的一种具体实施方案，上述转换系统中，所述含调相器的转换装置包括调相器和反射镜。

进一步的，本发明还提供一种根据上述任意一种转换方法在量子精密测量、量子计算或量子通信中的应用。

根据以上技术方案，本发明贝尔态的高速高效转换方法和转换系统及应用具有如下有益效果：

(1)本发明采用了在不同时刻对量子比特的两个本征态施加相应相位的设计，使得实现贝尔态转换的局域操作灵活多变，可增强某些量子通信(如量子确定性密码分配)的安全性，另外，该设计可以方便地集成多种贝尔态的局域操作；

(2)本发明适用于目前量子信息中使用最广泛的两类纠缠：偏振纠缠和time-bin纠缠，对于偏振纠缠，本发明采用了Sagnac结构将水平和竖直偏振态分开，该结构稳定紧凑，可靠性高，对于time-bin纠缠，其光子的两个时间窗本征态已经在时间上分开，可直接应用本发明的思想，并且本发明采用了法拉第旋转片，调相与偏振无关；

(3)本发明中使用调相器件采用高速的电光调相器，以满足通信过程的高速要求，同时，由于本发明仅需要调相器对某一偏振方向的状态有作用即可，现在商用的调相器均能满足要求，具有很强的普适性；

(4)本发明通过采用偏振分束器和二分之一波片、或者90°法拉第旋转片或者45°法拉第旋转反射镜等非可逆器件，可以被动补偿光纤往返传输过程中的双折射效应，并可避免偏振相关损耗对操作的影响，确保转换方法的稳定性和高效性，且通过引入高速光电器件确保了高速。

附图说明

图1为本发明的实施例1的示意图。

图2为本发明的实施例2的示意图。

图3为本发明的实施例3的示意图。

图4为本发明的与实施例1和2对应的调相器施加相位的时序图。

图5为本发明的与实施例3对应的调相器施加相位的时序图。

具体实施方式

本发明中，“不同的相位”一词是指经过调相后的两个本征态相位发生改变，举例来说，两个本征态分别在不同时刻被调相器引入相位和则n为整数。

本发明提供一种贝尔态的转换方法，所述转换方法包括：使处在贝尔态的两个量子比特的任意一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过调相而被施加不同的相位。

本发明还提供一种贝尔态的转换方法，其中，所述转换方法包括：

使处在贝尔态的两个量子比特的其中一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过第一调相而被施加不同的相位，同时使另一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过第二调相而被施加不同的相位。

另外，本发明提供一种贝尔态的转换系统，其中，所述转换系统包括：

含调相器的转换装置，使处在贝尔态的两个量子比特的任意一个量子比特通过该装置后，两个本征态在不同的时刻经过调相而被施加不同的相位。

对于处在贝尔态的两个量子比特，进行贝尔态转换时：是两个量子比特中的一个进入贝尔态转换系统进行转换操作，另一个则不进入；或者是两个量子比特中的一个进入一个贝尔态转换系统进行转换操作，另一个则进入另一个贝尔态转换系统进行转换操作；或者是两个量子比特中的一个先进入贝尔态转换系统先进行转换操作，另一个后进入贝尔态转换系统后进行转换操作。所述贝尔态为处在偏振纠缠的贝尔态或者处在时间窗纠缠的贝尔态。

对于含调相器的转换装置，优选的，引入偏振分束器和二分之一波片、或者偏振分束器和90°法拉第旋转片，或者45°法拉第旋转反射镜等确保转换方法的稳定性和高效性，引入高速光电器件确保高速。

还优选的，本发明的含调相器的转换装置是一个自由空间萨格纳克(Sagnac)环，该环包括：偏振分束器、第一反射镜、调相器、第二反射镜和二分之一波片。量子比特的水平偏振本征态被偏振分束器透射，沿Sagnac环顺时针方向传播，依次经过二分之一波片、第一反射镜、调相器、第二反射镜，再次经过偏振分束器被反射；量子比特的竖直偏振本征态被偏振分束器反射，沿Sagnac环逆时针方向传播，依次经过第二反射镜、调相器、第一反射镜和二分之一波片，再次经过偏振分束器被透射。调相器在Sagnac环内非对称放置，即与第一反射镜和第二反射镜的距离不同，使得沿Sagnac环顺时针方向和逆时针方向的量子比特本征态在不同时刻经过调相器，并分别被施加不同的相位。

还优选的，本发明的含调相器的转换装置是一个光纤Sagnac环，该环包括：偏振分束器、调相器、光纤延时环和90°法拉第旋转片。量子比特的水平偏振本征态被偏振分束器透射，沿Sagnac环顺时针方向传播，依调相器、光纤延时环和90°法拉第旋转片，再次经过偏振分束器被反射；量子比特的竖直偏振本征态被偏振分束器反射，沿Sagnac环逆时针方向传播，依次经过90°法拉第旋转片、光纤延时环和调相器，再次经过偏振分束器被透射。在Sagnac环内增加的光纤延时环，使得沿Sagnac环顺时针方向和逆时针方向的量子比特本征态在不同时刻经过调相器，并分别被施加不同的相位。

对于time-bin纠缠的贝尔态，本发明的贝尔态转换系统优选包括：调相器和45°法拉第旋转反射镜。首先，量子比特的本征态前时间窗态|S>先经过调相器，尔后被法拉第旋转反射镜旋转反射旋转，并再次通过调相器，该本征态两次经过调相器时该调相器的调相电压相同。然后，量子比特的本征态后时间窗态|L>类似地先经过调相器，被法拉第旋转反射镜旋转反射旋转，并再次通过调相器，该本征态两次经过调相器时该调相器的调相电压相同。量子比特的两个本征态前时间窗态|S>和后时间窗态|L>在不同时间段经过调相器，并分别被施加不同的相位。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1所示，实施例1中，光子1a和光子1b处于任一偏振纠缠的贝尔态，如 $|{\mathrm{\Φ}}^{+}>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_{1a}|H{>}_{1b}+|V{>}_{1a}\left|V{>}_{1b}\right),$ 其中H和V为光子的两个偏振本征态，分别表示水平和竖直偏振。

实施例1中，光子的传播通道为自由空间。

实施例1中，光子1a进入一个Sagnac环，该环包含：偏振分束器2、反射镜3、调相器4、反射镜5、二分之一波片6；光子1b则直接传输(图1中所示为光子1a进入Sagnac环，光子1b直接传输，同样的操作也可以是光子1a直接传输，光子1b进入Sagnac环)。

实施例1中，光子1a的空间坐标系与偏振分束器2一致，该光子的水平和竖直偏振分别被偏振分束器2透射和反射，被透射的偏振在Sagnac环内沿着顺时针方向传播，而被反射的偏振在Sagnac环内沿着逆时针方向传播。

实施例1中，顺时针方向传播的水平偏振先通过二分之一波片6被转为竖直偏振，然后被反射镜5反射至调相器4，接着被反射镜3反射，最后被偏振分束器2反射。

实施例1中，逆时针方向传播的竖直偏振被反射镜3反射至调相器4，接着被反射镜5反射，而后被二分之一波片6转为水平偏振，最后被偏振分束器2透射。

实施例1中，光子1a在偏振分束器2一端出射，出射端与入射端相同，且出射方向与入射方向的传输方向相反。

实施例1中，调相器4为电光调相器，该调相器在Sagnac环内被非对称放置，以致Sagnac环内顺逆时针方向传播的偏振态会在不同时刻经过调相器，并分别被施加不同的相位。

实施例1中，调相器4顺逆时针方向的输入偏振均对应该调相器的同一本征态，所以其顺逆时针方向的输出偏振均不会随调相电压的改变而改变，并可避免该调相器引起的偏振相关损耗和双折射。

实施例2：

如图2所示，实施例：2中，光子7a和光子7b处于任一偏振纠缠的贝尔态，如 $|{\mathrm{\Φ}}^{+}>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_{7a}|H{>}_{7b}+|V{>}_{7a}\left|V{>}_{7b}\right),$ 其中H和V为光子的两个偏振本征态，且分别表示水平和竖直偏振。

实施例2中，光子的传播通道为光纤。

实施例2中，光子7a射入一个Sagnac环，该环包含：偏振分束器8、90°法拉第旋转片9，光纤延迟线10、调相器11，优选地该Sagnac环内器件均用保偏光纤连接；光子7b则直接传输(图2中所示为光子7a进入Sagnac环，光子7b直接传输，同样的操作也可以是光子7a直接传输，光子7b进入Sagnac环)。

实施例2中，光子7a的空间坐标系与偏振分束器8一致，该光子的水平和竖直偏振经过偏振分束器8时分别被透射和反射。被透射的水平偏振在Sagnac环内沿着顺时针方向传播，被反射的竖直偏振在Sagnac环内沿着逆时针方向传播。

实施例2中，顺时针方向传播的水平偏振依次通过调相器11、光纤延迟线10、90°法拉第旋转片9、尔后被偏振分束器8反射。

实施例2中，逆时针方向传播的竖直偏振依次通过90°法拉第旋转片9、光纤延迟线10、调相器11，而后被偏振分束器8透射。

实施例2中，光子7a在偏振分束器8一端出射，出射端与入射端相同，且出射方向与入射方向的传输方向相反。

实施例2中，调相器11为电光调相器。

实施例2中，由于光纤延迟线10的存在，Sagnac环内顺逆时针方向传播的偏振会在不同时刻经过调相器11，并分别被施加不同的相位。

实施例2中，调相器11顺逆时针方向的输入偏振均对应该调相器的同一个本征态，所以其顺逆时针方向的输出偏振均不会随调相电压的改变而改变，并可避免该调相器引起的偏振相关损耗和双折射。

实施例3：

如图3所示，实施例3中，光子12a和光子12b处于任一time-bin纠缠的贝尔态，如 $|{\mathrm{\Φ}}^{+}>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|S{>}_{12a}|S_{12b}+|L{>}_{12a}\left|L{>}_{12b}\right),$ 其中S和L为光子的两个时间窗本征态，且分别表示前时间窗态和后时间窗态。

实施例3中，光子的传播通道为光纤。

实施例3中，调相器13为双偏振电光调相器，法拉第旋转反射镜为45°旋转反射镜。

实施例3中，光子12a的本征态S先经过调相器13，尔后被法拉第旋转反射镜14反射并再次通过调相器13，该本征态S两次经过调相器13时该调相器的调相电压相同。法拉第旋转反射镜14保证了调相是偏振无关的。

实施例3中，光子12a的本征态S第二次经过调相器13后，接着光子12a的本征态L第一次经过调相器14，尔后被法拉第旋转反射镜14反射并再次通过调相器13，该本征态L两次经过调相器13时该调相器的调相电压相同。法拉第旋转反射镜14保证了调相是偏振无关的。

实施例3中，光子12a的两个本征态先后两次经过调相器和法拉旋转反射镜，而光子12b的两个本征态则直接传输(图2中所示为光子12a的两个本征态先后两次经过调相器和法拉旋转反射镜，光子12b的两个本征态则直接传输，同样的操作也可以是光子12a的两个本征态直接传输，光子12b的两个本征态先后两次经过调相器和法拉第旋转反射镜)。

实施例3中，光子12a的出射方向与入射方向的传输方向相反。

检测结果与分析：

对于上述实施例1中的光子1a和实施例2中的光子7a，它们的两个偏振本征态均在不同时刻经过调相器并被施加不同的相位，如图4所示。

又如图5所示，对于上述实施例3中的光子12a，其本征态S分别在t3和t4时刻通过调相器，两次通过调相器时调相电压相同，而其本征态L分别在t5和t6时刻通过调相器，两次通过调相器时调相电压相同。时间差t4-t3＝t6-t5，而t5-t3或者t6-t4为时间窗S和L的时间差。假设上述纠缠光子的两个本征态分别被调相器引入相位和

则有：实施例1和2实现的局域操作均为δ₁， 实施例3实现的局域操作为δ₃，即 (n为整数)时，δ₁类似于组合操作δ_xδ_z或者δ_zδ_x，可实现转换δ₃类似于操作δ_z，可实现转换由于和的取值理论上来说是无限的，那么实现上述这些贝尔态转换的等效操作将会非常多，随机执行其中一些操作可以保证某些量子通信的安全性[Han，Yun-Guang，etal.″SecurityofmodifiedPing-Pongprotocolinnoisyandlossychannel，″Scientificreports4，4936(2014).]。另外，实施例1和2中，Sagnac结构保证了可靠性、稳定性和紧凑性。且在实施例2中，90°法拉第旋转片结合Sagnac环，可有效抑制光纤中往返传输所导致的所有双折射效应和偏振相关损耗。而实施例3的法拉第旋转反射镜也可达到同样的效果，并且其调相是偏振无关的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种贝尔态的转换方法，其特征在于，所述转换方法包括：

使处在贝尔态的两个量子比特的任意一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过调相而被施加不同的相位。

2.根据权利要求1所述的贝尔态的转换方法，其特征在于，所述贝尔态为处在偏振纠缠的贝尔态。

3.根据权利要求1所述的贝尔态的转换方法，其特征在于，所述贝尔态为处在时间窗纠缠的贝尔态。

4.根据权利要求2所述的贝尔态的转换方法，其特征在于，使所述两个量子比特的任意一个量子比特通过含调相器的Sagnac环，所述调相器在Sagnac环内被非对称放置。

5.根据权利要求3所述的贝尔态的转换方法，其特征在于，使所述两个量子比特的任意一个量子比特通过调相器和法拉第旋转反射镜。

6.一种贝尔态的转换方法，其特征在于，所述转换方法包括：

使处在贝尔态的两个量子比特的其中一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过第一调相而被施加不同的相位，同时使另一个量子比特的两个本征态在不同的时刻经过第二调相而被施加不同的相位。

7.一种贝尔态的转换系统，其特征在于，所述转换系统包括：

含调相器的转换装置，使处在贝尔态的两个量子比特的任意一个量子比特通过该装置后，两个本征态在不同的时刻经过调相而被施加不同的相位。

8.根据权利要求7所述的贝尔态的转换系统，其特征在于，所述含调相器的转换装置包括含调相器的Sagnac环，所述调相器在Sagnac环内被非对称放置。

9.根据权利要求7所述的贝尔态的转换系统，其特征在于，所述含调相器的转换装置包括调相器和法拉第旋转反射镜。

10.权利要求1-6任意一种转换方法在量子精密测量、量子计算或量子通信中的应用。