CN106972893A - 一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置及方法，所述装置包括：相干场发生组件、分束器、初始叠加态生成组件、模式控制门阵列组件、延时器、合束器、通信信道、正交模式分束器以及正交相位编码相干检测组件；本发明利用场的相干叠加性质以及正交伪随机编码的正交性、封闭性、平衡性，实现量子密集编码，也就是随着量子数量的增加，量子态所携带的经典信息量指数增加。我们这种相干场实现的密集编码不仅具有量子密集编码的优势，而且更加易于实现，利用现有成熟技术就能实现大规模应用，与此同时还能克服量子密集编码通信中容易受到退相干干扰的困难。

Description

一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编 码通信装置及方法

技术领域

本发明涉及一种通信装置，尤其涉及一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置及方法。

背景介绍

量子信息是计算机和通信技术发展的未来。随着集成电路晶体管尺度的减小，量子效应将不可避免，离散的量子状态与计算机0和1的表示天然一致，因此发展量子计算将是计算机技术发展到今天的必然选择。随着量子计算的研究，发现量子计算具有经典计算无可比拟的巨大优势，量子计算是一种全新的并行计算技术，由于量子体系具有经典体系所不具备的叠加态和张量积结构的存在，使得量子计算机能够指数加速传统经典计算机难以处理的许多NP问题，如大数因式分解、无序数据库搜索等。例如采用传统计算机需要数亿年才能破解的RSA加密算法，在量子计算机中利用Shor算法只需要短短数秒即可完成。这些成果大大震撼了整个学术界和产业界，大大促进了量子计算技术的研究。除了量子计算之外，还有量子通信技术为信息传输的保密性提供了新的保证。但是除了在保密通信之外，量子信息的密集编码技术能够极大提高信息通信容量，这一方面也被人们广泛关注。最早Bennett等人发现利用量子纠缠态可以实现量子密集编码，即一个量子比特可以传输的两个经典比特的信息量(C.H.Bennett,et al.Phys.Rev.Lett.69,288(1992))。

量子密集编码需要依靠量子态的相干叠加性质和量子纠缠性质来实现，但是这种相干叠加性质非常容易收到外界的影响导致退相干，这种退相干效应会导致量子密集编码的完全失效，因此到目前为止，尚没有可以实用化的方案来实现量子密集编码。近年来，利用光场实现量子态的模拟得到了重视，一方面由于光场的相干叠加性质和量子相干叠加性质非常接近，虽然物理解释上不一致；另一方面光场的相干叠加性质不容易受到外界干扰退相干。已经形成共识的是，光场对于单量子波函数的模拟完全没有问题，完全一致的Hilbert空间数学结构，以及场强分布和粒子几率分布的相似性。但是，对于多粒子体系的量子纠缠效应，光场的模拟仍然存在这争议。许多研究认为通过对光场增加一个自由度可以实现对量子纠缠的模拟，甚至将这种模拟称之为经典纠缠(A.Aiello et al.,NewJ.Phys.17,043024(2015)；F.Toppel et al.,New J.Phys.16,073019(2014)；A.Luis,Opt.Commun.282,3665(2009))。

在发明专利申请201610326288.0中提出了利用伪随机相位编码的正交性，通过在每个光场上调制一个伪随机相位编码实现对不同光场的区分，这样来模拟多个量子粒子，实现类似量子计算的光学并行计算的新方法。正交伪随机编码已经广泛应用到无线和有线通信领域实现对不同用户的区分，例如在码分多址(CDMA)技术中就是利用编码的正交性实现多用户的同时通信。这种正交伪随机相位编码(例如m-序列或者M-序列)不仅在能够区分不同的光场，而且带来和量子测量相似的随机性，从而可以在其中引入类似于量子系综的概念。此外，利用不同正交偏振模式进行多信道传输已经得到很多的研究和应用，专利200510072337.4就提出了一种利用偏振模式来增加光通信容量的方法，以及一些研究(M.S.Alfiad,et al.,J.LightwaveTechnol.,2009,27(16)35903598.)详细讨论了偏振复用在实际通信系统中的应用。但是，这种方法一般只能增加一倍的通信容量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有偏振复用通信技术的增加通信容量有限以及量子密集编码通信容易被退相干影响的缺点，结合正交伪随机相位序列和相干场模式相干叠加的性质，提供一种相干场密集编码通信装置及方法，以实现类似于量子密集编码能指数增加信道容量的功能。

本发明的目的通过以下技术方案实现的：本发明的目的通过以下技术方案实现的：一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置，它包括：相干场发生组件、分束器、初始叠加态生成组件、模式控制门阵列组件、延时器、合束器、通信信道、正交模式分束器以及正交相位编码相干检测组件；

所述模式控制门阵列组件由多个模式控制开关组成，所述模式控制开关，是指能控制相干场正交模式通过的器件；首先根据待传输的数据对模式控制门阵列组件中的多个模式控制开关分别进行设置；设置完成后，相干场发生组件产生一束具有单一正交模式的相干场，相干场经过分束器分成若干束相干场；每一束相干场经过初始叠加态生成组件，被调制上不同的伪随机相位序列的同时，将其单一正交模式变换为两个正交模式|0>和|1>的叠加态|0>+|1>，由此得到初始叠加态；这些处于初始叠加态的相干场经过模式控制门阵列组件后，携带上待传输的数据，得到最终叠加态；然后这些处于最终叠加态的场经过延时器分别进行不同延时，使得各个场先后通过合束器依次送入通信信道传送到目的地；到达目的地后，相干场首先被正交模式分束器按照|0>和|1>正交模式分为两束场，然后分别进入正交相位编码相干检测组件探测相干场所调制的伪随机相位序列存在状态，并得到最终叠加态的模式状态矩阵，最后通过一种基于序列遍历机制读出方法得到这些场表示的数据。

进一步地，所述的初始叠加态生成组件，包括正交伪随机码产生器、相位调制器、以及哈德玛德型模式变换器构成，正交伪随机码产生器同时产生若干个正交伪随机编码，输入到若干个相位调制器上，每个相位调制器的编码均不相同，每个相位调制器调制不同的相干场，使得每个相干场都具有不同的伪随机相位序列，然后这些相干场经过哈德玛德型模式变换器由正交模式|0>或|1>变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的状态。

进一步地，所述的哈德玛德型模式变换器，是指一种将相干场由|0>或|1>的模式变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的变换器。

进一步地，所述的模式控制门阵列组件，包括若干个分束器、若干个模式控制开关以及若干个合束器，每一个输入的相干场首先经过分束器分成若干束，分束的数量与输入场的个数相同，每一束都经过模式控制开关，然后与其他输入相干场分束出来的相干场利用合束器进行重新组合，使得每一束输出相干场包含所有的伪随机相位序列编码，并且每个正交模式上包含的伪随机相位序列由模式控制开关决定。

进一步地，所述的模式控制开关，是指能控制相干场正交模式通过的器件，主要包括四种状态：控制门A(Gate A)是一种将所有光模式全部关闭的光开关；控制门B(GateB)是一种通过光场模式|0>而关闭光场模式|1>的模式选择型光开关；控制门C(GateC)是一种通过光场模式|1>而关闭光场模式|0>的模式选择型光开关；控制门D(GateD)是一种全部通过光场所有模式的光开关。例如对相干光场来说，这种器件可以利用偏振片来实现。

进一步地，所述的正交编码相干检测组件，包括本振信号相干场发生组件、第一分束器、第二分束器、正交伪随机码产生器、相位调制器、相干耦合器、探测器、乘法器、加法器以及电平判决器，首先利用第一分束器将输入的待测相干场分为若干束，分束的数量与伪随机序列的个数相同，然后每一束和参考场通过相干耦合器进行相干叠加之后产生的两束场输入到两个探测器中，产生的电信号经过乘法器进行相关，然后再经过加法器积分，最后输入到电平判决器进行判断，当输出电平高于阈值电平则输出1，当输出电平低于阈值电平则输出0，从而判断相干场和参考场之间编码的一致性。由正交伪随机码的特性可知但两个编码一致时输出1，不一致则输出0。最后的输出结果形成模式状态矩阵。

参考场通过以下方式产生：本振信号相干场发生组件产生一束具有与输入的待测相干场相同的正交模式的相干场，然后经过第二分束器产生和待测相干场一样多的分束，每一束参考场都经过正交伪随机码产生器和相位调制器调制上不同的伪随机相位序列编码，即得到所述参考场。

进一步地，所述的通信信道，是指光纤或者传输电磁波的电缆或者大气。

一种相干场密集编码通信方法，包括以下步骤：

(1)首先根据待传输的数据对模式控制门阵列组件中的多个模式控制开关分别进行设置；

(2)初始叠加态的产生：相干场发生组件产生一束单一正交模式的相干场，经过分束器分成若干个束相干场，每一束相干光场经过初始叠加态生成组件中的相位调制器，调制上不同的正交伪随机相位编码以示区分，相干场的两个正交模式编码|0>和|1>分别编码为计算机数字信号的0和1，这些相干场经过哈德玛德型模式变换器得到模式叠加态|0>+|1>，这样初始叠加态就产生了；

(3)门阵列实现模式变换：初始叠加态输入到模式控制门阵列组件中，模式控制开关的状态由需要传输的数据x_i决定，然后将初始叠加态中的每个相干场变成最终叠加态如下：

ψ_n为第n个相干场，|>表示相干场的正交模式；n表示相干场的序数，N为最大随机序列数；k,j＝1,2,3,……N，和分别是相干场的模式|0>和|1>的叠加系数；和为相位，λ^(k)为第k个正交伪随机相位编码序列，λ^(j)为第j个正交伪随机相位编码序列；

(4)串行传输：利用延时器将这些相干场进行不同时间长度的延时，然后利用合束器依次将这些相干场合并发送到通信信道中进行串行传输；

(5)正交模式分离：利用正交模式分束器将接收到的相干场分解为两个正交模式|0>和|1>独立的两束相干场；

(6)正交相位编码相干检测：将模式分离之后的相干场分别输入到两个独立的正交伪随机相位编码相干检测组件中分别进行正交伪随机相位序列编码的检测，得到模式状态矩阵：

(7)序列遍历读出得到结果：为了读出最后的计算结果，需要基于序列遍历机制得到模式矩阵所表示的叠加态，基于序列轮询的简单序列遍历机制如下：

R₁＝{λ⁽¹⁾,λ⁽²⁾,…λ⁽ⁿ⁾},R₂＝{λ⁽²⁾,λ⁽³⁾,…λ⁽ⁿ⁾,λ⁽¹⁾},…R_n＝{λ⁽ⁿ⁾,λ⁽¹⁾,…λ^(n-1)}

利用序列的这种排列次序，可以从模式状态矩阵得到每个相干场展示出数据|x_i>的的等效叠加状态：

进一步地，所述的模式状态矩阵，是最终叠加态的场与参考场相干探测结果的矩阵表示，每个矩阵单元有四种状态：(1,0)表示相干场|ψ′_j>只有正交模式|0>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，(0,1)表示相干场|ψ′_j>只有正交模式|1>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，(1,1)表示相干场|ψ′_j>模式叠加态|0>+|1>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，0表示相干场|ψ′_j>没有任何模式调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾。

本发明的有益效果是，利用正交伪随机编码对场的相位调制实现了对多粒子量子系统的模拟，利用场的相干叠加性质以及正交伪随机编码的正交性、封闭性、平衡性能够实现对所有量子态的模拟，从而能够实现量子密集编码，也就是随着量子数量的增加，量子态所携带的经典信息量指数增加。我们这种相干场实现的密集编码不仅具有量子密集编码的优势，而且更加易于实现，利用现有成熟技术就能实现大规模应用，与此同时还能克服量子密集编码通信中容易受到退相干干扰的困难。

附图说明

图1是基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置原理示意图；

图2是初始叠加态生成组件原理示意图；

图3是模式控制门阵列组件原理示意图；

图4是正交伪随机编码相干检测组件原理示意图；

图5是四种模式控制开关原理示意图；

图6是实现|x_i>＝|0>+|23〉+|38〉+|63〉+|64〉+|87>+|102>+|127>+|128〉+|151>+|166>+|191>+|192>+|215>+|230>+|255>的模式控制门阵列组件实施例的示意图；

图7是|x_i>最终叠加态的模式状态矩阵的示意图；

图8是简化后的模式控制门阵列组件原理示意图；

图中：1、相干场发生组件，2、分束器，3、多束相干场，4、初始叠加态生成组件，5、模式控制门阵列组件，6、延时器，7、合束器，8、通信信道，9、正交模式分束器，10、正交伪随机编码相干检测组件，11、正交伪随机码产生器，12、相位调制器，13、哈德玛德型模式变换器，14、模式控制开关，15、相干耦合器，16、探测器，17、乘法器，18、加法器，19、电平判决器，20、本振信号相干场发生组件，21、模式状态矩阵，22、第一分束器，23、第二分束器，24、合束器，25、正交伪随机码产生器，26、相位调制器。

具体实施方式

本发明提出一种利用伪随机相位编码和正交模式叠加态来增加通信容量的新方法，在每个光场上调制一个伪随机相位编码实现对不同光场的区分，这样来模拟多个量子粒子，同时利用正交模式叠加态模拟量子粒子的叠加态和纠缠态，从而使得相干场携带的信息量随场的数量增加而呈指数级别的增加，这样有可能极大的增加通信容量。与申请201610326288.0不同的是，由于通信需要将多个场依次发送到通信信道中，而不是并行处理。经过仔细分析发现，201610326288.0中的信息处理虽然是并行的，但是信息提取过程是单独对每个场进行正交相位序列检测，然后利用测量到的模式状态矩阵按照序列遍历排列进行信息提取的，这一点和量子纠缠过程测量的有所不同，不会出现对纠缠中的一个粒子测量影响另一个粒子的测量结果，由此我们认为可以利用这种特性进行分时传输信息和处理信息，但是需要保持在信道中每个场的传输顺序。为了实现串行传输需要将每个场按照不同延时然后利用合束器依次输入到传输信道中进行传输。进一步，我们考虑到每个场的产生具有独立性，只需要依次改变模式控制门的状态即可串行的得到每个场的最终叠加态，这样的结构不尽大大减少了模式控制门阵列组件的器件数量和复杂度，而且不再需要延时器件和合束器进行并行改串行，这一点是完全不同于201610326288.0的全新设计。

下面结合附图详细描述本发明。

如图1所示，是基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置原理示意图，包括：相干场发生组件1、分束器2、初始叠加态生成组件4、模式控制门阵列组件5、延时器6、合束器7、通信信道8、正交模式分束器9以及正交相位编码相干检测组件10；

如图2所示，所述的初始叠加态生成组件4，包括正交伪随机码产生器11、相位调制器12、以及哈德玛德型模式变换器13构成，正交伪随机码产生器11同时产生若干个正交伪随机编码，输入到若干个相位调制器12上，每个相位调制器的编码均不相同，每个相位调制器12调制不同的相干场，使得每个相干场都具有不同的伪随机相位序列，然后这些相干场经过哈德玛德型模式变换器13由正交模式|0>或|1>变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的状态。这样所有相干场形成的初始叠加态 就产生了。

其中，所述的哈德玛德型模式变换器13，是指一种将相干场由|0>或|1>的模式变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的变换器。

所述的正交伪随机相位编码，是指一种通过线性或非线性反馈移位寄存器方法产生的一组具有正交性、封闭性、平衡性的伪随机编码，经过相位调制器调制到相干场的相位上。伪随机相位编码产生的方法如下：

(1)选择一个伽罗华域GF(p)的s阶本源多项式，利用反馈移位寄存器(LFSR/nLFSR)方法产生一个长度为p^s-1的基本序列；

(2)通过基本序列的循环移位得到其他序列；所述循环移位方法为：

如下所示：以p^s＝2³为例，

R₁＝{1，1，1，0，0，1，0}；

R₂＝{1，1，0，0，1，0，1}；

R₃＝{1，0，0，1，0，1，1}；

R₄＝{0，0，1，0，1，1，1}；

R₅＝{0，1，0，1，1，1，0}；

R₆＝{1，0，1，1，1，0，0}；

R₇＝{0，1，1，1，0，0，1}。

(3)在每个序列的最后增加一个0元素，使序列所有取值个数相等，满足均衡性，然后增加一个全0序列R₈，这样得到整个序列集合；

(4)将序列元素的值映射到相干光场，映射方式为：0→0，1→π/p，2→2π/p，…，p-1→(p-1)π/p。

所述的初始叠加态，是指多个处于模式叠加态的相干场形成的直积态，可以表述为： 表示直积。

所述的相干场的正交模式，是指相干场的两个相互正交的偏振分量或者波导中的横向模式。

如图3所示，所述的模式控制门阵列组件5，包括若干个分束器2、若干个模式控制开关14以及若干个合束器24，每一个输入的相干场首先经过分束器2分成若干束，分束的数量与输入场的个数相同，每一束都经过模式控制开关14，然后与其他输入相干场分束出来的相干场利用合束器24进行重新组合，使得每一束输出相干场包含所有的伪随机相位序列编码，并且每个正交模式上包含的伪随机相位序列由模式控制开关14决定。

其中，所述的模式控制开关14，是指能控制相干场正交模式通过的器件，如图5所示，主要包括四种状态：控制门A(Gate A)是一种将所有光模式全部关闭的光开关；控制门B(GateB)是一种通过光场模式|0>而关闭光场模式|1>的模式选择型光开关；控制门C(GateC)是一种通过光场模式|1>而关闭光场模式|0>的模式选择型光开关；控制门D(GateD)是一种全部通过光场所有模式的光开关。例如对相干光场来说，这种器件可以利用偏振片来实现。初始叠加态经过这一组件的作用，形成最终叠加态：

从最终叠加态来看，每个相干场都拥有其他伪随机相位序列的组合，因此将每个相干场分束之后再合束到其他相干场中，然后通过模式控制开关14的控制得到不同和这样就可以得到所有可能的组合，而这些模式控制开关14的状态由我们需要发送的数据|x_i〉来决定，例如我们要实现|x_i〉＝|0〉+|23〉+|38>+|63>+|64>+|87>+|102>+|127>+|128>+|151>+|166>+|191>+|192>+|215>+|230>+|255>，图6所示的模式控制门阵列组件可以实现这一最终叠加态：

如图4所示，所述的正交编码相干检测组件10，包括本振信号相干场发生组件20、第一分束器22、第二分束器23、正交伪随机码产生器25、相位调制器26、相干耦合器15、探测器16、乘法器17、加法器18以及电平判决器19，首先利用第一分束器22将输入的待测相干场分为若干束，分束的数量与伪随机序列的个数相同，然后每一束和参考场通过相干耦合器15进行相干叠加之后产生的两束场输入到两个探测器16中，产生的电信号经过乘法器17进行相关，然后再经过加法器18积分，最后输入到电平判决器19进行判断，当输出电平高于阈值电平则输出1，当输出电平低于阈值电平则输出0，从而判断相干场和参考场之间编码的一致性。由正交伪随机码的特性可知但两个编码一致时输出1，不一致则输出0。最后的输出结果形成模式状态矩阵21。

参考场通过以下方式产生：本振信号相干场发生组件20产生一束具有与输入的待测相干场相同的正交模式的相干场，然后经过第二分束器23产生和待测相干场一样多的分束，每一束参考场都经过正交伪随机码产生器25和相位调制器26调制上不同的伪随机相位序列编码，即得到所述参考场。

本振信号相干场发生组件20与相干场发生组件1一样，包括相干光源/电磁波发生器以及正交模式选择器，例如相干光源可以是但不限于激光光源，正交模式选择器可以是但不限于偏振光起偏器等，能够产生具有确定正交模式|0>或|1>的相干场。本振信号相干场发生组件20产生的参考场与相干场发生组件1产生的信号场具有一样的波长且保持相干性。

此外，本发明中所述的相干场包括相干光场、相干电磁场等，根据不同的场，选择不同的通信信道8，如：光纤、传输电磁波的电缆、大气。

上述装置通信方式如下：

(1)首先根据待传输的数据对模式控制门阵列组件5中的多个模式控制开关14分别进行设置；

(2)初始叠加态的产生：相干场发生组件产生一束单一正交模式的相干场，经过分束器2分成若干个束相干场3，每一束相干光场经过初始叠加态产生组件4中的相位调制器12，调制上不同的正交伪随机相位编码以示区分，相干场的两个正交模式编码|0>和|1>分别编码为计算机数字信号的0和1，这些相干场经过哈德玛德型模式变换器13得到模式叠加态|0>+|1>，这样初始叠加态就产生了；

(3)门阵列实现模式变换：初始叠加态输入到模式控制门阵列组件5中，模式控制开关14的状态由需要传输的数据x_i决定，然后将初始叠加态中的每个相干场变成最终叠加态如下：

ψ_n为第n个相干场，|>表示相干场的正交模式；n表示相干场的序数，N为最大随机序列数；k,j＝1,2,3,……N，和分别是相干场的模式|0>和|1>的叠加系数；和为相位，λ^(k)为第k个正交伪随机相位编码序列，λ^(j)为第j个正交伪随机相位编码序列；

(4)串行传输：利用延时器6将这些相干场进行不同时间长度的延时，然后利用合束器7依次将这些相干场合并发送到通信信道8中进行串行传输；

(5)正交模式分离：利用正交模式分束器9将接收到的相干场分解为两个正交模式|0>和|1>独立的两束相干场；

(6)正交相位编码相干检测：将模式分离之后的相干场分别输入到两个独立的正交伪随机相位编码相干检测组件10中分别进行正交伪随机相位序列编码的检测，得到模式状态矩阵21：

(7)序列遍历读出得到结果：为了读出最后的计算结果，需要基于序列遍历机制得到模式矩阵所表示的叠加态，基于序列轮询的简单序列遍历机制如下：

R₁＝{λ⁽¹⁾,λ⁽²⁾,…λ⁽ⁿ⁾},R₂＝{λ⁽²⁾,λ⁽³⁾,…λ⁽ⁿ⁾,λ⁽¹⁾},…R_n＝{λ⁽ⁿ⁾,λ⁽¹⁾,…λ^(n-1)}

利用序列的这种排列次序，可以从模式状态矩阵得到每个相干场展示出数据|x_i>的的等效叠加状态：

所述的模式状态矩阵21，是最终叠加态的场与参考场相干探测结果的矩阵表示，每个矩阵单元有四种状态：(1,0)表示相干场|ψ′_j>只有正交模式|0>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，(0,1)表示相干场|ψ′_j>只有正交模式|1>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，(1,1)表示相干场|ψ′_j>模式叠加态|0>+|1>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，0表示相干场|ψ′_j>没有任何模式调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾。

如图8是简化后的模式控制门阵列组件原理示意图，考虑到每个场的产生都是由所有的初始叠加态通过模式控制门的控制之后产生，每个场可以独立产生而不需要依赖其他场，因此我们可以进一步简化模式控制门阵列组件的结构，只需要图3中所示的原理图中的一个结构即可实现，不同的是模式控制门的状态要依次按照不同场而变化。这一大大简化了原来的结构。其只要包括原来模式控制门阵列组件的N分之一的器件就能实现。并且这样产生的场本来就是串行的，不再需要由并行通过延时机构变成串行。

Claims (9)

1.一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置，其特征在于，它包括：相干场发生组件(1)、分束器(2)、初始叠加态生成组件(4)、模式控制门阵列组件(5)、延时器(6)、合束器(7)、通信信道(8)、正交模式分束器(9)以及正交相位编码相干检测组件(10)；

所述模式控制门阵列组件(5)由多个模式控制开关(14)组成，所述模式控制开关(14)，是指能控制相干场正交模式通过的器件；首先根据待传输的数据对模式控制门阵列组件(5)中的多个模式控制开关(14)分别进行设置；设置完成后，相干场发生组件(1)产生一束具有单一正交模式的相干场，相干场经过分束器(2)分成若干束相干场(3)；每一束相干场经过初始叠加态生成组件(4)，被调制上不同的伪随机相位序列的同时，将其单一正交模式变换为两个正交模式|0>和|1>的叠加态|0>+|1>，由此得到初始叠加态；这些处于初始叠加态的相干场经过模式控制门阵列组件(5)后，携带上待传输的数据，得到最终叠加态；然后这些处于最终叠加态的场经过延时器(6)分别进行不同延时，使得各个场先后通过合束器(7)依次送入通信信道(8)传送到目的地；到达目的地后，相干场首先被正交模式分束器(9)按照|0>和|1>正交模式分为两束场，然后分别进入正交相位编码相干检测组件(10)探测相干场所调制的伪随机相位序列存在状态，并得到最终叠加态的模式状态矩阵(21)，最后通过一种基于序列遍历机制读出方法得到这些场表示的数据。

2.根据权利要求1所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的初始叠加态生成组件(4)，包括正交伪随机码产生器(11)、相位调制器(12)、以及哈德玛德型模式变换器(13)构成，正交伪随机码产生器(11)同时产生若干个正交伪随机编码，输入到若干个相位调制器(12)上，每个相位调制器的编码均不相同，每个相位调制器(12)调制不同的相干场，使得每个相干场都具有不同的伪随机相位序列，然后这些相干场经过哈德玛德型模式变换器(13)由正交模式|0>或|1>变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的状态。

3.根据权利要求2所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的哈德玛德型模式变换器(13)，是指一种将相干场由|0>或|1>的模式变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的变换器。

4.根据权利要求1所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的模式控制门阵列组件(5)，包括若干个分束器(2)、若干个模式控制开关(14)以及若干个合束器(24)，每一个输入的相干场首先经过分束器(2)分成若干束，分束的数量与输入场的个数相同，每一束都经过模式控制开关(14)，然后与其他输入相干场分束出来的相干场利用合束器(24)进行重新组合，使得每一束输出相干场包含所有的伪随机相位序列编码，并且每个正交模式上包含的伪随机相位序列由模式控制开关(14)决定。

5.根据权利要求4所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的模式控制开关(14)，是指能控制相干场正交模式通过的器件，主要包括四种状态：控制门A(Gate A)是一种将所有光模式全部关闭的光开关；控制门B(GateB)是一种通过光场模式|0>而关闭光场模式|1>的模式选择型光开关；控制门C(GateC)是一种通过光场模式|1>而关闭光场模式|0>的模式选择型光开关；控制门D(GateD)是一种全部通过光场所有模式的光开关。例如对相干光场来说，这种器件可以利用偏振片来实现。

6.根据权利要求1所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的正交相位编码相干检测组件(10)，包括本振信号相干场发生组件(20)、第一分束器(22)、第二分束器(23)、正交伪随机码产生器(25)、相位调制器(26)、相干耦合器(15)、探测器(16)、乘法器(17)、加法器(18)以及电平判决器(19)，首先利用第一分束器(22)将输入的待测相干场分为若干束，分束的数量与伪随机序列的个数相同，然后每一束和参考场通过相干耦合器(15)进行相干叠加之后产生的两束场输入到两个探测器(16)中，产生的电信号经过乘法器(17)进行相关，然后再经过加法器(18)积分，最后输入到电平判决器(19)进行判断，当输出电平高于阈值电平则输出1，当输出电平低于阈值电平则输出0，从而判断相干场和参考场之间编码的一致性。由正交伪随机码的特性可知但两个编码一致时输出1，不一致则输出0。最后的输出结果形成模式状态矩阵(21)。

参考场通过以下方式产生：本振信号相干场发生组件产生一束具有与输入的待测相干场相同的正交模式的相干场，然后经过第二分束器(23)产生和待测相干场一样多的分束，每一束参考场都经过正交伪随机码产生器(25)和相位调制器(26)调制上不同的伪随机相位序列编码，即得到所述参考场。

7.根据权利要求1所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的通信信道(8)，是指光纤或者传输电磁波的电缆或者大气。

8.一种权利要求1所述装置的相干场密集编码通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先根据待传输的数据对模式控制门阵列组件(5)中的多个模式控制开关(14)分别进行设置；

(2)初始叠加态的产生：相干场发生组件产生一束单一正交模式的相干场，经过分束器(2)分成若干个束相干场(3)，每一束相干光场经过初始叠加态产生组件(4)中的相位调制器(12)，调制上不同的正交伪随机相位编码以示区分，相干场的两个正交模式编码|0>和|1>分别编码为计算机数字信号的0和1，这些相干场经过哈德玛德型模式变换器(13)得到模式叠加态|0>+|1>，这样初始叠加态就产生了；

(3)门阵列实现模式变换：初始叠加态输入到模式控制门阵列组件(5)中，模式控制开关(14)的状态由需要传输的数据x_i决定，然后将初始叠加态中的每个相干场变成最终叠加态如下：

$|{\mathrm{\ψ}}_n>={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^N{\mathrm{\α}}_n^{\left(k\right)}{e}^{{\mathrm{i\λ}}^{\left(k\right)}}|0>+{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N{\mathrm{\β}}_n^{\left(j\right)}{e}^{{\mathrm{i\λ}}^{\left(j\right)}}|1>$

ψ_n为第n个相干场，|>表示相干场的正交模式；n表示相干场的序数，N为最大随机序列数；k,j＝1,2,3,……N，和分别是相干场的模式|0>和|1>的叠加系数；和为相位，λ^(k)为第k个正交伪随机相位编码序列，λ^(j)为第j个正交伪随机相位编码序列；

(4)串行传输：利用延时器(6)将这些相干场进行不同时间长度的延时，然后利用合束器(7)依次将这些相干场合并发送到通信信道(8)中进行串行传输；

(5)正交模式分离：利用正交模式分束器(9)将接收到的相干场分解为两个正交模式|0>和|1>独立的两束相干场；

(6)正交相位编码相干检测：将模式分离之后的相干场分别输入到两个独立的正交伪随机相位编码相干检测组件(10)中分别进行正交伪随机相位序列编码的检测，得到模式状态矩阵(21)：

(7)序列遍历读出得到结果：为了读出最后的计算结果，需要基于序列遍历机制得到模式矩阵所表示的叠加态，基于序列轮询的简单序列遍历机制如下：

R1＝{λ⁽¹⁾，λ⁽²⁾，…λ⁽ⁿ⁾}，R2＝{λ⁽²⁾，λ⁽³⁾，…λ⁽ⁿ⁾，λ⁽¹⁾}，…R_n＝{λ⁽ⁿ⁾，λ⁽¹⁾，…λ^(n-1)}

利用序列的这种排列次序，可以从模式状态矩阵得到每个相干场展示出数据|x_i>的的等效叠加状态：

$\begin{array}{c}|\mathrm{\Ψ}>=\left({\mathrm{\α}}_1^{\left(1\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_1^{\left(1\right)}|1>\right)\⊗\left({\mathrm{\α}}_2^{\left(2\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_2^{\left(2\right)}|1>\right)\mathrm{...}\⊗\left({\mathrm{\α}}_n^{\left(n\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_n^{\left(n\right)}|1>\right)\\ +\left({\mathrm{\α}}_1^{\left(2\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_1^{\left(2\right)}|1>\right)\⊗\left({\mathrm{\α}}_2^{\left(3\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_2^{\left(3\right)}|1>\right)\mathrm{...}\⊗\left({\mathrm{\α}}_n^{\left(1\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_n^{\left(1\right)}|1>\right)+\mathrm{......}\\ +\left({\mathrm{\α}}_1^{\left(n\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_1^{\left(n\right)}|1>\right)\⊗\left({\mathrm{\α}}_2^{\left(1\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_2^{\left(1\right)}|1>\right)\mathrm{...}\⊗\left({\mathrm{\α}}_n^{\left(n-1\right)}|0>+{\mathrm{\β}}_n^{\left(n-1\right)}|1>\right).\end{array}$

9.根据权利要求8所述的相干场密集编码通信方法，其特征在于，所述的模式状态矩阵(21)，是最终叠加态的场与参考场相干探测结果的矩阵表示，每个矩阵单元有四种状态：(1,0)表示相干场|ψ′_j>只有正交模式|0>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，(0,1)表示相干场|ψ′_j>只有正交模式|1>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，(1,1)表示相干场|ψ′_j>模式叠加态|0>+|1>调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾，0表示相干场|ψ′_j>没有任何模式调制有相位序列λ⁽ⁱ⁾。