CN108551362B - 测量设备无关的相干性见证设备及方法 - Google Patents

测量设备无关的相干性见证设备及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108551362B
CN108551362B CN201810340915.5A CN201810340915A CN108551362B CN 108551362 B CN108551362 B CN 108551362B CN 201810340915 A CN201810340915 A CN 201810340915A CN 108551362 B CN108551362 B CN 108551362B
Authority
CN
China
Prior art keywords
quantum state
test
quantum
unknown
coherence
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810340915.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108551362A (zh
Inventor
马雄峰
周泓伊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cross Information Core Technology Research Institute (Xi'an) Co., Ltd.
Original Assignee
Cross Information Core Technology Research Institute (xi'an) Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cross Information Core Technology Research Institute (xi'an) Co Ltd filed Critical Cross Information Core Technology Research Institute (xi'an) Co Ltd
Priority to CN201810340915.5A priority Critical patent/CN108551362B/zh
Publication of CN108551362A publication Critical patent/CN108551362A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108551362B publication Critical patent/CN108551362B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/07—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems
    • H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
    • H04B10/079—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using measurements of the data signal
    • H04B10/0795—Performance monitoring; Measurement of transmission parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/61—Coherent receivers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication

Abstract

本申请提供一种测量设备无关的相干性见证设备及方法，所述方法主要是依据提供的未知量子源及信任量子源发送未知量子态以及测试量子态；藉由一开关装置控制每次输出未知量子态以及多种测试量子态中的一个量子态；经测试后输出对应所述未知量子态或测试量子态的第一测试结果或第二测试结果以计算出相干性见证结果。本申请使用可信的测试态对不信任的测量设备进行量子层析，用层析的结果计算出一个未知量子源相干性的下界。

Description

测量设备无关的相干性见证设备及方法
技术领域
本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种测量设备无关的相干性见证设备及测量设备无关的相干性见证方法。
背景技术
量子相干性一种重要的量子信息处理资源，可以用于量子随机数生成、量子计算、量子热力学和量子生物学等领域。特别是在量子随机数领域中，量子相干性直接刻画量子随机性，因此如果可以精确求出量子源的状态的密度矩阵，便可以直接计算出量子相干性以及量子随机性。然而一般量子源难以刻画，它的密度矩阵是未知的，这是可以采用相干性见证的方法，计算出未知量子源在某种测量下的平均值，便可得知这个量子源是否具有量子相干性。目前已有的相干性见证方案都是基于自由空间光学系统。
相干性见证的现有技术中，需要信任测量装置。否则由于测量设备的不完美，或者测量设备被攻击者操纵。判断结果经常会有偏差，即把一个不具有量子相干性的源误认为具有量子相干性，导致无法完成上述任务或者带来安全性的隐患。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种不需要信任测量装置的测量设备无关的相干性见证设备及方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种测量设备无关的相干性见证设备，包括：未知量子源，信任量子源，开关装置，以及测量装置；其中，所述未知量子源用于每次发送一个未知量子态；所述信任量子源用于每次发送多种测试量子态中的一个测试量子态；所述开关装置用于接收所述未知量子源发送的未知量子态及所述信任量子源发送的测试量子态，并控制每次输出所述未知量子态以及所述多种测试量子态中的一个量子态；以及所述测量装置用于依次接收所述开关装置发送的一个未知量子态或测试量子态，经测试后输出对应所述未知量子态或测试量子态的第一测试结果或第二测试结果，以计算出相干性见证结果。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述未知量子源或所述信任量子源为激光光源。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述未知量子态为独立同分布的量子态。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述未知量子态以及测试量子态为相位编码或者偏振偏码。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述多种测试量子态包括第一、第二、第三、及第四测试量子态的四种测试量子态。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述第一、第二、第三、及第四测试量子态中，每个测试量子态时间区间分为前区间及后区间的两个区间，其中，所述第一测试量子态的前区间具有脉冲；所述第二测试量子态的后区间具有脉冲；所述第三测试量子态的前、后区间均具有脉冲，且所述前、后区间的脉冲相位差为0；所述第三测试量子态的前、后区间均具有脉冲，且所述前、后区间的脉冲相位差为π/2。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述开关装置为光学开关装置。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述测量装置包括统计单元以及计算单元；其中所述统计单元用于分别统计依次接收的未知量子态或测试量子态所对应的第一测试结果或第二测试结果的概率分布；以及所述计算单元用于依据所述测试量子态所对应的第一或第二测试结果的概率分布获得未知量子态的第一测试结果或第二测试结果。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述未知量子源及信任量子源分别通过光纤光路向所述开关装置发送未知量子态及测试量子态；所述开关装置通过光纤光路向所述测量装置发送未知量子态及测试量子态。
在本申请的第一方面的某些实施方式中，所述测量装置包括干涉仪和时间分辨探测器。
本申请的第二方面还提供一种测量设备无关的相干性见证方法，包括以下步骤：提供一未知量子源及一信任量子源；令所述未知量子源每次发送一个未知量子态；以及令所述信任量子源每次发送多种测试量子态中的一个测试量子态；藉由一开关装置控制每次输出所述未知量子态以及所述多种测试量子态中的一个量子态；以及依次接收所述开关装置发送的一个未知量子态或测试量子态，经测试后输出对应所述未知量子态或测试量子态的第一测试结果或第二测试结果，以计算出相干性见证结果。
在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述未知量子源或所述信任量子源为激光光源。
在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述未知量子态为独立同分布的量子态。
在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述未知量子态以及测试量子态为相位编码或者偏振偏码。
在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述多种测试量子态包括第一、第二、第三、及第四测试量子态的四种测试量子态。
在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述第一、第二、第三、及第四测试量子态中，每个测试量子态时间区间分为前区间及后区间的两个区间，其中，所述第一测试量子态的前区间具有脉冲；所述第二测试量子态的后区间具有脉冲；所述第三测试量子态的前、后区间均具有脉冲，且所述前、后区间的脉冲相位差为0；所述第三测试量子态的前、后区间均具有脉冲，且所述前、后区间的脉冲相位差为π/2。
在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述开关装置为光学开关装置。
在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述计算出相干性见证结果的步骤包括：分别统计依次接收的未知量子态或测试量子态所对应的第一测试结果或第二测试结果的概率分布；以及依据所述测试量子态所对应的第一或第二测试结果的概率分布获得未知量子态的第一测试结果或第二测试结果。
在本申请的第二方面的某些实施方式中，所述未知量子源及信任量子源分别通过光纤光路向所述开关装置发送未知量子态及测试量子态；所述开关装置通过光纤光路发送未知量子态及测试量子态。
如上所述，本申请测量设备无关的相干性见证设备及方法使用可信的测试态对不信任的测量设备进行量子层析，用层析的结果计算出一个未知量子源相干性的下界，本申请提供的方案还可以容忍高的信道损失，并且相对容易实施，并且有着非常广阔的应用前景。
附图说明
图1显示为本申请的相干性见证设备在一实施例中组合结构示意图。
图2显示为本申请的相干性见证设备在另一实施例中组合结构示意图。
图3显示为本申请的相干性见证方法在一实施例中步骤流程图。
图4显示为本申请的相干性见证方法在另一实施例中步骤流程图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。
在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。
这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。另外，虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述量子态，但是这些量子态不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个量子态与另一个量子态进行区分。例如，第一测试量子态可以被称作第二测试量子态，并且类似地，第二测试量子态可以被称作第一测试量子态，而不脱离各种所描述的实施例的范围。第一测试量子态和测试量子态均是在描述一个测试量子态，但是除非上下文以其他方式明确指出，否则它们不是同一个测试量子态。相似的情况还包括第三测试量子态及第四测试量子态。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包括”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
量子相干性可以解释量子世界中各种奇异的现象，同时在量子信息处理中也是一种重要的资源。一个具有量子相干性的量子源可以用于量子随机数生成、量子计算、量子热力学和量子生物学等。对于一个未知的量子源，检测它是否具有量子相干性无论在科学上还是工程实践上是一件很有意义的事情。如果能确保它具有量子相干性，那么就可以应用于上述任务中。在目前的应用中，检测装置中由于测量设备的不完美，判断结果经常会有偏差，即把一个不具有量子相干性的源误认为具有量子相干性，导致无法完成上述任务或者带来安全性的隐患。
本申请提出的测量设备无关的相干性见证设备及测量设备无关的相干性见证方法，所述的测量设备无关在本申请中是指不依赖测量设备。所述相干性见证设备是用于见证量子的相干性的设备或者说是用于见证量子态之间关联性的设备。本申请提出的测量设备无关的相干性见证设备及方法即用以在不依赖测量设备的情况下完成对一个未知量子源是否可以用于上述领域的判断。
请参阅图1，显示为本申请的相干性见证设备在一实施例中组合结构示意图，如图所示，所述测量设备无关的相干性见证设备包括：未知量子源，信任量子源，开关装置，以及测量装置。
所述未知量子源用于每次发送一个未知量子态，在实施例中，所述未知量子源为激光光源，在一个实施例中，所述激光光源例如为内设置有用于输出双脉冲序列信号光的相位调制的激光光源，在另一个实施例中，所述激光光源还例如为内设置有用于输出双脉冲序列信号光的偏振调制的激光光源。
在实施例中，所述激光光源发出双脉冲序列信号光，并通过对所述双脉冲序列信号光进行衰减的光衰减器(Variable Optical Attenuator，简称VOA)将所述光信号衰减至单光子级别后将所述位置量子态予以输出。
在实施例中，所述未知量子态为独立同分布的量子态，即随机的量子态，在示例中用ρ表示该未知量子态，诚如上述，在一个实施例中所述ρ表示的未知量子态为相位编码；在另一个实施例中所述ρ表示的未知量子态为偏振偏码。
所述信任量子源用于每次发送多种测试量子态中的一个测试量子态。
在实施例中，所述信任量子源用以完成测试态的制备，所述信任量子源为激光光源，在一个实施例中，所述激光光源例如为内设置有用于输出双脉冲序列信号光的相位调制的激光光源，用于输出经相位编码的测试量子态；在另一个实施例中，所述激光光源还例如为内设置有用于输出双脉冲序列信号光的偏振调制的激光光源，用于输出经偏振编码的测试量子态；
在实施例中，所述为信任量子源的激光光源发出双脉冲序列信号光，并通过对所述双脉冲序列信号光进行衰减的光衰减器将所述光信号衰减至单光子级别后将所述位置量子态予以输出。
在实施例中，所述信任量子源用于发送多种测试量子态，在实施例中，所述多种测试量子态包括四种测试量子态，例如为ρ0表示为第一测试量子态，ρ1表示为第二测试量子态，ρ2表示为第三测试量子态，ρ3表示为第四测试量子态。
在实施例中，所述信任量子源发送的测试量子态可以由两束激光脉冲的时序以及相对相位进行编码，例如将每个测试量子态时间区间分为两个前后两个区间，前面的时间区间有脉冲而后面时间区间没有脉冲，则所述第一测试量子态对应ρ0＝|0>；前面的时间区间没有脉冲而后面时间区间有脉冲，则所述第二测试量子态对应ρ1＝|1>；如果前面的时间区间和后面的时间区间都有脉冲，但是这两个脉冲之间的相位差为0，则所述第三测试量子态对应ρ2＝|+>；如果前面的时间区间和后面的时间区间都有脉冲，但是这两个脉冲之间的相位差为π/2，则所述第四测试量子态对应对应ρ3＝|+i>；即，在本实施例中，所述的多种测试量子态则为第一、第二、第三、第四测试量子态分别为ρ0＝|0>,ρ1＝|1>,ρ2＝|+>,ρ3＝|+i>。
在另一实施例中，所述信任量子源发送的多种测试量子态包括有六种测试量子态时，比如在上述的第一、第二、第三、第四测试量子态分别为ρ0＝|0＞,ρ1＝|1＞,ρ2＝|+＞,ρ3＝|+i＞的基础上，如果前面的时间区间和后面的时间区间都有脉冲，但是这两个脉冲之间的相位差为π，则所述第五测试量子态对应对应ρ4＝|-＞；如果前面的时间区间和后面的时间区间都有脉冲，但是这两个脉冲之间的相位差为3π/2，则所述第六测试量子态对应对应ρ5＝|-i>。
所述开关装置用于接收所述未知量子源发送的未知量子态以及所述信任量子源发送的测试量子态，并控制每次输出所述未知量子态以及所述多种测试量子态中的一个量子态；在实施例中，所述开关装置为光学开关装置。
所述未知量子源及信任量子源分别通过光学通路向所述开关装置发送未知量子态及测试量子态；所述开关装置通过光学通路向所述测量装置发送未知量子态及测试量子态。在实施例中，所述光学通路例如为光纤光路，在优选的实施例中，所述未知量子源及信任量子源分别通过光纤光路向所述开关装置发送未知量子态及测试量子态；所述开关装置通过光纤光路向所述测量装置发送未知量子态及测试量子态。
在实施例中，所述光学开关装置控制所述未知量子源发送的未知量子态或者信任量子源发送的测试量子态进入所述测量装置，即，每次进入所述测量装置的量子态为未知量子态ρ、第一测试量子态ρ0、第二测试量子态ρ1、第三测试量子态ρ2、及第四测试量子态ρ3这五个中的一个。
所述测量装置用于依次接收所述开关装置发送的一个未知量子态或测试量子态，经测试后输出对应所述未知量子态或测试量子态的第一测试结果或第二测试结果，以计算出相干性见证结果。在实施例中，所述测量装置包括干涉仪和时间分辨探测器，用于依据输入的未知量子态或测试量子态计算(见证)所述未知量子态的量子相干性。
请参阅图2，显示为本申请的相干性见证设备在另一实施例中组合结构示意图，如图所示，所述测量装置包括统计单元以及计算单元。
所述统计单元用于分别统计依次接收的未知量子态或测试量子态所对应的第一测试结果或第二测试结果的概率分布；在实施例中，所述第一测试结果为0，所述第二测试结果为1，所述统计单元用于通过统计在所述测量装置接收到每个量子态时输出0或者1的概率分布。
所述计算单元用于依据所述测试量子态所对应的第一或第二测试结果的概率分布获得未知量子态的第一测试结果或第二测试结果，来判断所述测量装置进行的测量，在实施例中，这些概率均为条件概率，以第一测试结果为例，p(0|ρi)，i＝0,1,2,3分别对应上述第一种实施例中发送四种测试态的条件下输出0的概率，p(0|ρ)为发送未知量子态的条件下输出0的概率。以便通过理论计算得出测量层析结果和相干性见证结果。
在实施例中，测量设备无关的相干性见证设备在见证所述未知量子态的相干性时，首先令未知量子源准备大量独立同分布的未知量子态ρ，发向不信任的测量装置，并且同时藉由信任量子源向不信任的测量发送自己准备的测试量子态，即前述之第一、第二、第三、及第四ρ0＝|0＞,ρ1＝|1＞,ρ2＝|+＞,ρ3＝|+i＞这四种测试量子态；接着令光学开关控制未知量子源发送的未知量子态或者信任量子源发送的测试量子态进入测量装置，并确保每次进入测量装置的量子态为|0＞,|1＞,|+＞,|+i＞,ρ这五个中的一个；最后由测量装置每轮输出0或者1，藉此可以统计在接收端接收到每个量子态时输出0或者1的概率，来判断测量装置进行的测量。
在实施例中，所述测量装置未知的两输出测量可以表示为：
F0＝a0(I+n0·σ)；
F1＝a1(I+n1·σ)；
其中，I是单位矩阵，a0和a1是正实数，n0＝(nx,ny,nz)和n1是模长≤1的三维实向量，满足a0+a1＝1，a0n0+a1n1＝0。
因此这个未知的测量有四个自由度a0，nx，ny，nz通过四个测试态可以列出四个条件概率分布的方程：
p(0|ρ0)＝a0+a0nz；
p(0|ρ1)＝a0-a0nz；
p(0|ρ2)＝a0+a0nx；
p(0|ρ3)＝a0+a0ny；
所述的方程数量等于未知数的数量，正好可以层析出这个未知测量的表示。当然，在其他的实施例中，如果测试态数量少于四个，即便得不到未知测量的精确表示，但也可以求出一个范围，即有可能做未知量子态的相干性见证的。
得到测量的表达式后，可以通过一个凸优化的方法求出相干性的下界：
其中R(λ)＝exp(-I-λF0)，λ是一个实数，p(0|ρ)是接收端收到未知量子态ρ时输出0的概率，Πi是刻画相干性的基矢，|·|∞是求这个矩阵的最大本征值。
如上所述，本申请测量设备无关的相干性见证设备使用可信的测试态对不信任的测量设备进行量子层析，用层析的结果计算出一个未知量子源相干性的下界并获得结果。
请参阅图3，显示为本申请的测量设备无关的相干性见证方法在一实施例中的流程图，如图所示，本申请的测量设备无关的相干性见证方法包括以下步骤：
在步骤S11中，提供一未知量子源及一信任量子源。
在实施例中，所述未知量子源为激光光源，在一个实施例中，所述激光光源例如为内设置有用于输出双脉冲序列信号光的相位调制的激光光源，在另一个实施例中，所述激光光源还例如为内设置有用于输出双脉冲序列信号光的偏振调制的激光光源。
在实施例中，所述激光光源发出双脉冲序列信号光，并通过对所述双脉冲序列信号光进行衰减的光衰减器(Variable Optical Attenuator，简称VOA)，将所述光信号衰减至单光子级别后将所述位置量子态予以输出。
在实施例中，所述信任量子源用以完成测试态的制备，
所述信任量子源为激光光源，在一个实施例中，所述激光光源例如为内设置有用于输出双脉冲序列信号光的相位调制的激光光源，用于输出经相位编码的测试量子态；在另一个实施例中，所述激光光源还例如为内设置有用于输出双脉冲序列信号光的偏振调制的激光光源，用于输出经偏振编码的测试量子态；
在实施例中，所述为信任量子源的激光光源发出双脉冲序列信号光，并通过对所述双脉冲序列信号光进行衰减的光衰减器将所述光信号衰减至单光子级别后将所述位置量子态予以输出。
在步骤S12中，令所述未知量子源每次发送一个未知量子态；同时令所述信任量子源每次发送多种测试量子态中的一个测试量子态；
在实施例中，所述未知量子态为独立同分布的量子态，即随机的量子态，在示例中用ρ表示该未知量子态，诚如上述，在一个实施例中所述ρ表示的未知量子态为相位编码；在另一个实施例中所述ρ表示的未知量子态为偏振偏码。
在实施例中，所述信任量子源用于发送多种测试量子态，在实施例中，所述多种测试量子态包括四种测试量子态，例如为ρ0表示为第一测试量子态，ρ1表示为第二测试量子态，ρ2表示为第三测试量子态，ρ3表示为第四测试量子态。
在实施例中，所述信任量子源发送的测试量子态可以由两束激光脉冲的时序以及相对相位进行编码，例如将每个测试量子态时间区间分为两个前后两个区间，前面的时间区间有脉冲而后面时间区间没有脉冲，则所述第一测试量子态对应ρ0＝|0＞；前面的时间区间没有脉冲而后面时间区间有脉冲，则所述第二测试量子态对应ρ1＝|1＞；如果前面的时间区间和后面的时间区间都有脉冲，但是这两个脉冲之间的相位差为0，则所述第三测试量子态对应ρ2＝|+＞；如果前面的时间区间和后面的时间区间都有脉冲，但是这两个脉冲之间的相位差为π/2，则所述第四测试量子态对应对应ρ3＝|+i＞；即，在本实施例中，所述的多种测试量子态则为第一、第二、第三、第四测试量子态分别为ρ0＝|0＞,ρ1＝|1＞,ρ2＝|+＞,ρ3＝|+i>。
在另一实施例中，所述信任量子源发送的多种测试量子态包括有六种测试量子态时，比如在上述的第一、第二、第三、第四测试量子态分别为ρ0＝|0>,ρ1＝|1＞,ρ2＝|+>,ρ3＝|+i>的基础上，如果前面的时间区间和后面的时间区间都有脉冲，但是这两个脉冲之间的相位差为π，则所述第五测试量子态对应对应ρ4＝|-＞；如果前面的时间区间和后面的时间区间都有脉冲，但是这两个脉冲之间的相位差为3π/2，则所述第六测试量子态对应对应ρ5＝|-i＞。
在步骤S13中，藉由一开关装置控制每次输出所述未知量子态以及所述多种测试量子态中的一个量子态；在实施例中，所述开关装置为光学开关装置。
所述未知量子源及信任量子源分别通过光学通路向所述开关装置发送未知量子态及测试量子态；所述开关装置通过光学通路向所述测量装置发送未知量子态及测试量子态。在实施例中，所述光学通路例如为光纤光路，在优选的实施例中，所述未知量子源及信任量子源分别通过光纤光路向所述开关装置发送未知量子态及测试量子态；所述开关装置通过光纤光路向所述测量装置发送未知量子态及测试量子态。
在实施例中，所述光学开关装置控制所述未知量子源发送的未知量子态或者信任量子源发送的测试量子态进入所述测量装置，即，每次进入所述测量装置的量子态为未知量子态ρ、第一测试量子态ρ0、第二测试量子态ρ1、第三测试量子态ρ2、及第四测试量子态ρ3这五个中的一个。
依次接收所述开关装置发送的一个未知量子态或测试量子态，经测试后输出对应所述未知量子态或测试量子态的第一测试结果或第二测试结果，以计算出相干性见证结果。在实施例中，通过一测量装置依次接收所述光学开关发送的一个未知量子态或测试量子态，经测试后输出对应所述未知量子态或测试量子态的第一测试结果或第二测试结果。在实施例中，所述第一测试结果为0，所述第二测试结果为1，所述统计单元用于通过统计在所述测量装置接收到每个量子态时输出0或者1的概率分布。
在实施例中，所述测量装置包括干涉仪和时间分辨探测器，用于依据输入的未知量子态或测试量子态计算(见证)所述未知量子态的量子相干性。
请参阅图4，显示为本申请的测量设备无关的相干性见证方法在一实施例中的流程图，如图所示，所述计算出相干性见证结果的步骤包括：
在步骤S131中，分别统计依次接收的未知量子态或测试量子态所对应的第一测试结果或第二测试结果的概率分布；在实施例中，所述第一测试结果为0，所述第二测试结果为1，所述统计单元用于通过统计在所述测量装置接收到每个量子态时输出0或者1的概率分布。
在步骤S132中，依据所述测试量子态所对应的第一或第二测试结果的概率分布获得未知量子态的第一测试结果或第二测试结果，来判断所述测量装置进行的测量，在实施例中，这些概率均为条件概率，以第一测试结果为例，p(0|ρi)，i＝0,1,2,3分别对应上述第一种实施例中发送四种测试态的条件下输出0的概率，p(0|ρ)为发送未知量子态的条件下输出0的概率。以便通过理论计算得出测量层析结果和相干性见证结果。
在实施例中，测量设备无关的相干性见证设备在见证所述未知量子态的相干性时，首先令未知量子源准备大量独立同分布的未知量子态ρ，发向不信任的测量装置，并且同时藉由信任量子源向不信任的测量发送自己准备的测试量子态，即前述之第一、第二、第三、及第四ρ0＝|0＞,ρ1＝|1＞,ρ2＝|+＞,ρ3＝|+i＞这四种测试量子态；接着令光学开关控制未知量子源发送的未知量子态或者信任量子源发送的测试量子态进入测量装置，并确保每次进入测量装置的量子态为|0＞,|1＞,|+＞,|+i＞,ρ这五个中的一个；最后由测量装置每轮输出0或者1，藉此可以统计在接收端接收到每个量子态时输出0或者1的概率，来判断测量装置进行的测量。
在实施例中，所述测量装置未知的两输出测量可以表示为：
F0＝a0(I+n0·σ)；
F1＝a1(I+n1·σ)；
其中，I是单位矩阵，a0和a1是正实数，n0＝(nx,ny,nz)和n1是模长≤1的三维实向量，满足a0+a1＝1，a0n0+a1n1＝0。
因此这个未知的测量有四个自由度a0，nx，ny，nz通过四个测试态可以列出四个条件概率分布的方程：
p(0|ρ0)＝a0+a0nz；
p(0|ρ1)＝a0-a0nz；
p(0|ρ2)＝a0+a0nx；
p(0|ρ3)＝a0+a0ny；
所述的方程数量等于未知数的数量，正好可以层析出这个未知测量的表示。当然，在其他的实施例中，如果测试态数量少于四个，即便得不到未知测量的精确表示，但也可以求出一个范围，即有可能做未知量子态的相干性见证的。
得到测量的表达式后，可以通过一个凸优化的方法求出相干性的下界：
其中R(λ)＝exp(-I-λF0)，λ是一个实数，p(0|ρ)是接收端收到未知量子态ρ时输出0的概率，Πi是刻画相干性的基矢，|·|∞是求这个矩阵的最大本征值。
如上所述，本申请测量设备无关的相干性见证方法使用可信的测试态对不信任的测量设备进行量子层析，用层析的结果计算出一个未知量子源相干性的下界并获得结果，且所述相干性见证方法还可以容忍高的信道损失，使用光纤光路，相比于自由空间光路更容易集成，成本也更低，因而具有很高的实用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，包括：
未知量子源，用于每次发送一个未知量子态；
信任量子源，用于每次发送多种测试量子态中的一个测试量子态；
开关装置，用于接收所述未知量子态及所述测试量子态，并控制每次输出所述未知量子态以及所述多种测试量子态中的一个量子态；以及
测量装置，用于依次接收所述开关装置发送的一个未知量子态或测试量子态，经测试后输出对应所述未知量子态或测试量子态的第一测试结果或第二测试结果，以计算出相干性见证结果。
2.根据权利要求1所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述未知量子源或所述信任量子源为激光光源。
3.根据权利要求1所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述未知量子态为独立同分布的量子态。
4.根据权利要求1或3所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述未知量子态以及测试量子态为相位编码或者偏振偏码。
5.根据权利要求1所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述多种测试量子态包括第一、第二、第三、及第四测试量子态的四种测试量子态。
6.根据权利要求5所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述第一、第二、第三、及第四测试量子态中，每个测试量子态时间区间分为前区间及后区间的两个区间，其中，所述第一测试量子态的前区间具有脉冲；所述第二测试量子态的后区间具有脉冲；所述第三测试量子态的前、后区间均具有脉冲，且所述前、后区间的脉冲相位差为0；所述第三测试量子态的前、后区间均具有脉冲，且所述前、后区间的脉冲相位差为π/2。
7.根据权利要求5所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述开关装置为光学开关装置。
8.根据权利要求1所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述测量装置包括：
统计单元，用于分别统计依次接收的未知量子态或测试量子态所对应的第一测试结果或第二测试结果的概率分布；以及
计算单元，用于依据所述测试量子态所对应的第一或第二测试结果的概率分布获得未知量子态的第一测试结果或第二测试结果。
9.根据权利要求1所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述未知量子源及信任量子源分别通过光纤光路向所述开关装置发送未知量子态及测试量子态；所述开关装置通过光纤光路向所述测量装置发送未知量子态及测试量子态。
10.根据权利要求1、8或9所述的测量设备无关的相干性见证设备，其特征在于，所述测量装置包括干涉仪和时间分辨探测器。
11.一种测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一未知量子源及一信任量子源；
令所述未知量子源每次发送一个未知量子态；以及令所述信任量子源每次发送多种测试量子态中的一个测试量子态；
藉由一开关装置控制每次输出所述未知量子态以及所述多种测试量子态中的一个量子态；以及
依次接收所述开关装置发送的一个未知量子态或测试量子态，经测试后输出对应所述未知量子态或测试量子态的第一测试结果或第二测试结果，以计算出相干性见证结果。
12.根据权利要求11所述的测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，所述未知量子源或所述信任量子源为激光光源。
13.根据权利要求11所述的测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，所述未知量子态为独立同分布的量子态。
14.根据权利要求11或13所述的测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，所述未知量子态以及测试量子态为相位编码或者偏振偏码。
15.根据权利要求11所述的测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，所述多种测试量子态包括第一、第二、第三、及第四测试量子态的四种测试量子态。
16.根据权利要求15所述的测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，所述第一、第二、第三、及第四测试量子态中，每个测试量子态时间区间分为前区间及后区间的两个区间，其中，所述第一测试量子态的前区间具有脉冲；所述第二测试量子态的后区间具有脉冲；所述第三测试量子态的前、后区间均具有脉冲，且所述前、后区间的脉冲相位差为0；所述第三测试量子态的前、后区间均具有脉冲，且所述前、后区间的脉冲相位差为π/2。
17.根据权利要求11所述的测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，所述开关装置为光学开关装置。
18.根据权利要求11所述的测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，所述计算出相干性见证结果的步骤包括：
分别统计依次接收的未知量子态或测试量子态所对应的第一测试结果或第二测试结果的概率分布；以及
依据所述测试量子态所对应的第一或第二测试结果的概率分布获得未知量子态的第一测试结果或第二测试结果。
19.根据权利要求11所述的测量设备无关的相干性见证方法，其特征在于，所述未知量子源及信任量子源分别通过光纤光路向所述开关装置发送未知量子态及测试量子态；所述开关装置通过光纤光路发送未知量子态及测试量子态。
CN201810340915.5A 2018-04-17 2018-04-17 测量设备无关的相干性见证设备及方法 Active CN108551362B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810340915.5A CN108551362B (zh) 2018-04-17 2018-04-17 测量设备无关的相干性见证设备及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810340915.5A CN108551362B (zh) 2018-04-17 2018-04-17 测量设备无关的相干性见证设备及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108551362A CN108551362A (zh) 2018-09-18
CN108551362B true CN108551362B (zh) 2019-10-11

Family

ID=63515226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810340915.5A Active CN108551362B (zh) 2018-04-17 2018-04-17 测量设备无关的相干性见证设备及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108551362B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111092664B (zh) * 2019-12-06 2022-02-11 南京邮电大学 一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法
CN112804009B (zh) * 2021-03-05 2022-02-22 苏州大学 基于终端未定的联合量子远程态加速制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1477809A (zh) * 2003-07-11 2004-02-25 清华大学 量子密钥分配中的量子态经典顺序重排加密方法
CN104579638A (zh) * 2014-09-30 2015-04-29 清华大学 基于离散随机相位的诱骗态量子密钥分发系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2465730C1 (ru) * 2011-04-12 2012-10-27 Общество с ограниченной ответственностью Научно Исследовательская Компания "Каскад" (ООО НИК "Каскад") Способ передачи информации с использованием фотонов (варианты)
CN106685658B (zh) * 2017-03-20 2020-07-21 中国人民解放军空军工程大学 一种基于连续变量测量设备无关的量子密钥分发系统及其方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1477809A (zh) * 2003-07-11 2004-02-25 清华大学 量子密钥分配中的量子态经典顺序重排加密方法
CN104579638A (zh) * 2014-09-30 2015-04-29 清华大学 基于离散随机相位的诱骗态量子密钥分发系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Space-to-Ground Quantum Key Distribution Using a Small-Sized Payload on Tiangong-2 Space Lab;廖胜凯 等;《Chinese Physics Letters》;20170915;1-6页 *
量子随机数发生器;周泓伊 等;《信息安全研究》;20170105;1-13页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108551362A (zh) 2018-09-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. High-speed three-dimensional shape measurement based on cyclic complementary Gray-code light
Töppel et al. Classical entanglement in polarization metrology
CN108551362B (zh) 测量设备无关的相干性见证设备及方法
Dutta et al. Effective theory approach to new physics in b→ u and b→ c leptonic and semileptonic decays
Romero et al. Entangled optical vortex links
Zheng et al. Peculiar velocity decomposition, redshift space distortion, and velocity reconstruction in redshift surveys. II. Dark matter velocity statistics
Szabo et al. Automated nonlinear stellar pulsation calculations: Applications to RR Lyrae stars-The slope of the fundamental blue edge and the first RRd model survey
CN103968960B (zh) 一种测量同步脉冲激光器的同步精度的方法
CN108563422A (zh) 随机数发生器及随机数发生方法
Dern et al. Analysis of complex waveforms
Gramstad Modulational instability in JONSWAP sea states using the Alber equation
Li et al. Integration time optimization and starting angle autocalibration of full Stokes imagers based on a rotating retarder
La Cour et al. The virtual quantum optics laboratory
CN105991188B (zh) 一种检测共享风险链路组的方法及装置
Jean Vibrational coherence effects on electronic curve crossing
CN112364998B (zh) 一种相位随机性测试装置与方法
CN103791845B (zh) 基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法及装置
Poh et al. Probing the quantum–classical boundary with compression software
Moro et al. Defining parametric dependencies for the correct interpretation of speckle dynamics in photon Doppler velocimetry
Putnam et al. Modeling a temporally evolving atmosphere with Zernike polynomials
Arvan A unified explanation of quantum phenomena? The case for the peer‐to‐peer simulation hypothesis as an interdisciplinary research program
Dehay et al. Bootstrap for almost cyclostationary processes with jitter effect
CN109117117B (zh) 一种自适应的源无关量子随机数发生器
CN108844642A (zh) 探测器层析仪及量子层析方法
CN206209694U (zh) 一种量子随机数发生器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20190514

Address after: 710077 Room 101, Block B, Yunhui Valley, 156 Tiangu Eighth Road, New Town, Yuhua Street Software, Xi'an High-tech Zone, Shaanxi Province

Applicant after: Cross Information Core Technology Research Institute (Xi'an) Co., Ltd.

Address before: 100084 Tsinghua Yuan, Beijing, Haidian District

Applicant before: Tsinghua University

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant