CN109039616A - 一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法 - Google Patents

一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法 Download PDF

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CN109039616A CN201811233726.4A CN201811233726A CN109039616A CN 109039616 A CN109039616 A CN 109039616A CN 201811233726 A CN201811233726 A CN 201811233726A CN 109039616 A CN109039616 A CN 109039616A
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吕舒欣
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Abstract

本发明涉及量子通信技术领域，具体为一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法。本方法根据已知所需制备的光量子态参数对信号源提供的发送光子、控制光子进行分束、旋转操作得到光子叠加态，再从光子叠加态中分离出所需的光量子态，然后由量子态测量模块对光子执行X基测量或Z基测量，待到接收光子经相位翻转门后状态坍缩到与相位翻转门所接收的X基测量结果相对应的状态，再由相位翻转门根据接收的X基测量结果与接收光子状态的对应关系选择对接收光子执行相应的局域幺正操作，最终制得可双向传输的光子量子态。本发明的量子信息为双向传输，因此远程制备光量子态的效率更高，从而有效提高了远程量子通信的效率。

Description

一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，具体为一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法。
背景技术
量子通信以量子态为信息载体进行信息传输与处理，用量子力学基本原理来保障通信的安全，根据基于预先共享纠缠粒子非定域相关性原理，量子离物传态可以完成任意量子态的离物传送。由于光量子态具有传输速度快、传播距离远等优点，因此光量子态是远程量子通信的理想信息载体。
从量子信息传输方式上看，绝大部分远程量子通信技术方案都是单向传输即量子信息由发送方传输给接收方，这种方式的缺点就是远程制备光量子态效率低下，从而导致远程量子通信效率较低，造成这种局面的原因主要是现行的光量子态可控远程制备协议都是以多光子最大纠缠态为量子纠缠信道，基于非最大纠缠信道的光量子态双向可控远程制备协议极少，因此现有的量子操控技术无法实现非最大纠缠信道下的光量子态远程制备所需的多光子操控。在当前的量子通信学术领域，关于光量子计算方法的研究很多，例如中国科学技术大学博士学位论文《光量子计算及其算法实现》，作者：蔡昕东，时间：2015年5月，这类研究都是只有光量子的详细算法，但无具体的制备系统来实现光量子的双向传输，因此通信行业内亟需一种新型的光量子态制备方法来实现光量子态双向远程制备，以提高远程量子通信效率。
发明内容
针对上述问题，本发明一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，先通过极化分束器对两粒发送光子和一粒控制光子的不同极化状态进行分束，然后通过玻片结合已知所需制备的量子态信息对分束后的光子极化状态进行旋转操作，旋转操作后再次对发送光子和控制光子的极化状态进行分束，并通过极化分束器保留满足制备条件的光量子状态，再由量子态测量模块对发送光子和控制光子执行X基测量，最后由相位翻转门依据X基测量结果与接收光子塌缩状态的相应关系对两粒接收光子执行相应的局域幺正操作，完成所需的光量子态制备，实现光量子态的双向同时传输，因此制备光量子态的效率更高，从而显著提高远程量子通信效率，有效解决了上述问题。
本发明采用的技术方案是：
一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：设定光量子态制备系统所需制备的任意2个光量子态：第一光量子态和第二光量子态，所述第一光量子态、第二光量子态；
步骤2：从信号源获取到的5光子分别设定为第一发送光子1、第一接收光子2、控制光子3、第二接收光子4、第二发送光子5，所述光量子态制备系统将第一发送光子1发送至光量子态制备系统的第一极化分束器PBS1，第二发送光子5发送至光量子态制备系统的第五极化分束器PBS3，控制光子3发送至光量子态制备系统的第五极化分束器PBS5；
其中5光子纠缠态为：
，式中系数、、、
满足以下条件：
，，，；
步骤3：光量子态制备系统的第一极化分束器PBS1对步骤（2）得到的第一发
送光子1进行第一次分束，形成光路a0和光路a1，其中光路a0的光子极化状态被光量子态制备系统的第一玻片旋转角度：
，其中系数、；
光量子态制备系统的第三极化分束器PBS3对步骤（2）得到的第二发送光子5进行第一次分束，形成光路b0和光路b1，其中光路b0的光子极化状态被光量子态制备系统的第二玻片旋转角度：
，其中系数、；
光量子态制备系统的第五极化分束器PBS5对步骤（2）得到的控制光子3进行第一次分束，形成光路c0和光路c1，其中光路c1的光子极化状态被光量子态制备系统的第三玻片旋转角度：
，其中系数，；
对第一发送光子1、控制光子3、第二发送光子5执行第一次分束和旋转操作后，5光子纠缠态转化为相应状态，接下来从所述5光子叠加态中分离出所需要的光子量子态，即光量子态制备系统的第二极化分束器PBS2对光子1进行第二次分束形成光路a0’和光路a1’，第四极化分束器PBS4对光子5进行第二次分束形成光路b0’和光路b1’，第六极化分束器PBS6对光子3进行第二次分束形成光路c0’和光路c1’，5光子纠缠信道转化为相应状态；
步骤4：光量子态制备系统的第一量子态测量模块对光子1执行X基测量或Z基测量并把X基测量结果t1传输至光量子态制备系统的第一相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
光量子态制备系统的第二量子态测量模块对光子5执行X基测量或Z基测量并把X基测量结果t2传输至光量子态制备系统的第二相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
光量子态制备系统的第三量子态测量模块对光子3执行X基测量或Z基测量并把X基测量结果t3分别传输至光量子态制备系统的第一相位翻转门、第二相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
其中X基测量结果t1、t2、t3=0或1；
步骤5：所述第一接收光子2经第二相位翻转门后状态塌缩成与第二相位翻转门所接收到的X基测量结果（t2+t3）相应的状态；
所述第二接收光子4经第一相位翻转门后状态塌缩成与第一相位翻转门所接收到的X基测量结果（t1+t3）相应的状态，其中光子2和光子4处于对应状态：；
步骤6：第一相位翻转门根据所接收到的X基测量结果（t1+t3）与第二接收光子4状态的对应关系选择对光子4执行相应的局域幺正操作，将光子4的状态转化成所需制备的光量子态；
第二相位翻转门根据测量结果（t2+t3）与光子2状态的对应关系选择对光子2执行相应的局域幺正操作，将光子2状态转化成所需制备的光量子态；
其中为泡利操作。
进一步的，步骤1中，代表光子水平偏振态，代表光子垂直偏振态，复数、、、满足归一化关系：、。
进一步的，步骤3中，
。
进一步的，步骤4中，
，
式中…代表光子1、光子5、光子3不在光路a0’、光路b0’、光路c0’的状态，当光子1、光子5、光子3分别处于光路a0’、光路b0’、光路c0’时，则5光子纠缠信道转化为对应状态。
进一步的，步骤5中，
，式中系数；，式中系数。
进一步的，所述X基测量为、。
进一步的，所述第一量子态测量模块、第二量子态测量模块和第三量子态测量模块均相同，所述量子态测量模块包括一个阿达马门H和两个相同的量子测量装置，所述两个相同的量子测量装置分别为第一量子测量装置、第二量子测量装置，所述阿达马门H信号输出端与所述第一量子测量装置信号输入端连接，用于执行X基测量，所述第二量子测量装置用于执行Z基测量。
进一步的，所述量子态测量模块通过经典信道将X基测量结果传输至相位翻转门。
通过经典信道传输测量结果可有效降低制作成本。
本方法先对信号源输出的5光子进行设定，然后依据已知的所需制备的光量子信息由第一极化分束器PBS1、第三极化分束器PBS3、第五极化分束器PBS5分别对光子1、光子5、光子3进行分束，分束后相应形成光路a0和光路a1、光路b0和光路b1、光路c0和光路c1，然后由第一玻片、第二玻片、第三玻片分别对光路a0、光路b0、光路c1的光子极化状态进行旋转操作；旋转操作后，5光子纠缠态转化为相应状态，然后再由第二极化分束器PBS2、第四极化分束器PBS4、第六极化分束器PBS6分别对光子1、光子5、光子3再次分束，分束后相应形成光路a0’和光路a1’、光路b0’和光路b1’、光路c0’和光路c1’，若光子1、光子5、光子3不在光路a0’、b0’、c0’上，则5光子纠缠态转化为相应状态，若光子1、光子5、光子3处在光路a0’、b0’、c0’中，则5光子纠缠态转化为相应状态，接下来由第一量子态测量模块、第二量子态测量模块、第三量子态测量模块分别对光子1、光子5、光子3执行X基测量并将测量结果传输至相应的相位翻转门，然后光子2经第二相位翻转门后状态塌缩到与第二相位翻转门所接收的X基测量结果相应的状态，光子4经第一相位翻转门后状态塌缩到与第一相位翻转门所接收的X基测量结果相应的状态，最后相位翻转门依据所接收的X基测量结果与接收光子状态的对应关系选择对接收光子执行相应的局域幺正操作，完成制备双向传输所需的光量子态。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果：
本发明一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，与现有的单向传输技术相比，具有远程制备光量子态效率更高，有效提高远程量子通信效率等优点，同时实施本方法所需的器件均为常见的线性光学元件，因此具有制作成本较低、易操作、可行性强等优点，可大规模推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明流程图；
图2 本发明实施例的结构图；
图3 量子态测量模块结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，包括如下步骤：
步骤1：设定光量子态制备系统所需制备的任意2个光量子态：第一光量子态和第二光量子态，所述第一光量子态、第二光量子态，代表光子水平偏振态，代表光子垂直偏振态，复数、、、满足归一化关系：、；
步骤2：从信号源获取到的5光子分别设定为第一发送光子1、第一接收光子2、控制光子3、第二接收光子4、第二发送光子5，所述光量子态制备系统将第一发送光子1发送至光量子态制备系统的第一极化分束器PBS1，第二发送光子5发送至光量子态制备系统的第五极化分束器PBS3，控制光子3发送至光量子态制备系统的第五极化分束器PBS5；
其中5光子纠缠态为：
，式中系数、、、
满足以下条件：
，，，；
步骤3：光量子态制备系统的第一极化分束器PBS1对步骤（2）得到的第一发送光子1进行第一次分束，形成光路a0和光路a1，其中光路a0的光子极化状态被光量子态制备系统的第一玻片旋转角度：
，其中系数、；
光量子态制备系统的第三极化分束器PBS3对步骤（2）得到的第二发送光子5进行第一次分束，形成光路b0和光路b1，其中光路b0的光子极化状态被光量子态制备系统的第二玻片旋转角度：
，其中系数、；
光量子态制备系统的第五极化分束器PBS5对步骤（2）得到的控制光子3进行第一次分束，形成光路c0和光路c1，其中光路c1的光子极化状态被光量子态制备系统的第三玻片旋转角度：，其中系数，；
对第一发送光子1、控制光子3、第二发送光子5执行第一次分束和旋转操作后，5光子纠缠态转化为相应状态
，
接下来从所述5光子叠加态中分离出所需要的光子量子态，即光量子态制备系统的第二极化分束器PBS2对光子1进行第二次分束形成光路a0’和光路a1’，第四极化分束器PBS4对光子5进行第二次分束形成光路b0’和光路b1’，第六极化分束器PBS6对光子3进行第二次分束形成光路c0’和光路c1’，5光子纠缠信道转化为相应状态
，
式中…代表光子1、光子5、光子3不在光路a0’、光路b0’、光路c0’的状态，当光子1、光子5、光子3分别处于光路a0’、光路b0’、光路c0’时，则5光子纠缠信道转化为对应状态
；
步骤4：光量子态制备系统的第一量子态测量模块对光子1执行X基测量或Z基测量并通过经典信道把X基测量结果t1传输至光量子态制备系统的第一相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
光量子态制备系统的第二量子态测量模块对光子5执行X基测量或Z基测量并通过经典信道把X基测量结果t2传输至光量子态制备系统的第二相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
光量子态制备系统的第三量子态测量模块对光子3执行X基测量或Z基测量并通过经典信道把X基测量结果t3分别传输至光量子态制备系统的第一相位翻转门、第二相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
其中X基测量结果t1、t2、t3=0或1；
所述X基测量为、；
所述第一量子态测量模块、第二量子态测量模块和第三量子态测量模块均相同，所述量子态测量模块包括一个阿达马门H和两个相同的量子测量装置，所述两个相同的量子测量装置分别为第一量子测量装置、第二量子测量装置，所述阿达马门H信号输出端与所述第一量子测量装置信号输入端连接，用于执行X基测量，所述第二量子测量装置用于执行Z基测量；
步骤5：所述第一接收光子2经第二相位翻转门后状态塌缩成与第二相位翻转门所接收到的X基测量结果（t2+t3）相应的状态，式中系数；
所述第二接收光子4经第一相位翻转门后状态塌缩成与第一相位翻转门所接收到的X基测量结果（t1+t3）相应的状态，式中系数，其中光子2和光子4处于对应状态：；
步骤6：第一相位翻转门根据所接收到的X基测量结果（t1+t3）与第二接收光子4状态的对应关系选择对光子4执行相应的局域幺正操作，将光子4的状态转化成所需制备的光量子态；
第二相位翻转门根据测量结果（t2+t3）与光子2状态的对应关系选择对光子2执行相应的局域幺正操作，将光子2状态转化成所需制备的光量子态；
其中为泡利操作。
本发明所述光量子态制备系统如图2所示，所述第一极化分束器PBS1和第二极化分束器PBS2为水平设置，所述第一极化分束器PBS1的第一信号输出端与第二极化分束器PBS2的第一信号输入端连接构成光路a0，所述第一玻片设置在光路a0上，所述第一极化分束器PBS1的第二信号输出端与第二极化分束器PBS2的第二信号输入端连接构成光路a1，所述第一极化分束器PBS1信号输入端与信号源第一信号输出端连接，以接收第一发送光子1，所述第二极化分束器PBS2第一信号输出端与第一量子态测量模块的阿达马门H信号输入端连接构成光路a0’，所述第一量子态测量模块的阿达马门H信号输出端与第一量子态测量模块的量子测量装置G1信号输入端连接，所述量子测量装置G1信号输出端与第一相位翻转门Zt1’第一信号输入端连接，所述第二极化分束器PBS2第二信号输出端与第一量子态测量模块的量子测量装置G1’信号输入端连接构成光路a1’；
所述第三极化分束器PBS3和第四极化分束器PBS4为水平设置，所述第三极化分束器PBS3第一信号输出端与第四极化分束器PBS4第一信号输入端连接构成光路b0，所述第二玻片设置在光路b0上，所述第三极化分束器PBS3第二信号输出端与第四极化分束器PBS4第二信号输入端连接构成光路b1，所述第三极化分束器PBS3信号输入端与信号源第五信号输出端连接，以接收第二发送光子5，所述第四极化分束器PBS4第一信号输出端与第二量子态测量模块的阿达马门H信号输入端连接构成光路b0’，所述第二量子态测量模块的阿达马门H信号输出端与第二量子态测量模块的量子测量操装置G2信号输入端连接，所述量子测量装置G2信号输出端与第二相位翻转门Zt2’的第二信号输入端连接，所述第四极化分束器PBS4第二信号输出端与第二量子态测量模块的量子测量装置G2’信号输入端连接构成光路b1’；
所述第五极化分束器PBS5和第六极化分束器PBS6为水平设置，所述第五极化分束器PBS5第一信号输出端与第六极化分束器PBS6第一信号输入端连接构成光路c0，所述第五极化分束器PBS5第二信号输出端与第六极化分束器PBS6第二信号输入端连接构成光路c1，所述第三玻片设置在光路c1上，所述第五极化分束器PBS5信号输入端与信号源第三信号输出端连接，以接收控制光子3，所述第六极化分束器PBS6第一信号输出端与第三量子态测量模块的阿达马门H信号输入端连接构成光路c0’，所述第三量子态测量模块的阿达马门H信号输出端与第三量子态测量模块的量子测量装置G3信号输入端连接，所述量子测量装置G3信号输出端一路与第一相位翻转门Zt1’的第二信号输入端连接，所述量子测量装置G3信号输出端另一路与第二相位翻转门Zt2’的第三信号输入端连接，所述第六极化分束器PBS6第二信号输出端与第三量子态测量模块的量子测量装置G3’信号输入端连接构成光路c1’；
所述第一相位翻转门的第三信号输入端与信号源第四信号输出端连接，以接收光子4，第二相位翻转门的第一信号输入端与信号源第二信号输出端连接，以接收光子2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：设定光量子态制备系统所需制备的任意2个光量子态：第一光量子态和第二光量子态，所述第一光量子态、第二光量子态；
步骤2：从信号源获取到的5光子分别设定为第一发送光子(1)、第一接收光子(2)、控制光子(3)、第二接收光子(4)、第二发送光子(5)，所述光量子态制备系统将第一发送光子(1)发送至光量子态制备系统的第一极化分束器PBS1，第二发送光子(5)发送至光量子态制备系统的第五极化分束器PBS3，控制光子(3)发送至光量子态制备系统的第五极化分束器PBS5；
其中5光子纠缠态为：
，式中系数、、、
满足以下条件：
，，，；
步骤3：光量子态制备系统的第一极化分束器PBS1对步骤（2）得到的第一发
送光子(1)进行第一次分束，形成光路a0和光路a1，其中光路a0的光子极化状态被光量子态制备系统的第一玻片旋转角度：
，其中系数、；
光量子态制备系统的第三极化分束器PBS3对步骤（2）得到的第二发送光子(5)进行第一次分束，形成光路b0和光路b1，其中光路b0的光子极化状态被光量子态制备系统的第二玻片旋转角度：
，其中系数、；
光量子态制备系统的第五极化分束器PBS5对步骤（2）得到的控制光子(3)进行第一次分束，形成光路c0和光路c1，其中光路c1的光子极化状态被光量子态制备系统的第三玻片旋转角度：
，其中系数，；
对第一发送光子(1)、控制光子(3)、第二发送光子(5)执行第一次分束和旋转操作后，5光子纠缠态转化为相应状态，接下来从所述5光子叠加态中分离出所需要的光子量子态，即光量子态制备系统的第二极化分束器PBS2对光子(1)进行第二次分束形成光路a0’和光路a1’，第四极化分束器PBS4对光子(5)进行第二次分束形成光路b0’和光路b1’，第六极化分束器PBS6对光子(3)进行第二次分束形成光路c0’和光路c1’，5光子纠缠信道转化为相应状态；
步骤4：光量子态制备系统的第一量子态测量模块对光子(1)执行X基测量或Z基测量并把X基测量结果t1传输至光量子态制备系统的第一相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
光量子态制备系统的第二量子态测量模块对光子(5)执行X基测量或Z基测量并把X基测量结果t2传输至光量子态制备系统的第二相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
光量子态制备系统的第三量子态测量模块对光子(3)执行X基测量或Z基测量并把X基测量结果t3分别传输至光量子态制备系统的第一相位翻转门、第二相位翻转门，Z基测量结果则不对外输出；
其中X基测量结果t1、t2、t3=0或1；
步骤5：所述第一接收光子(2)经第二相位翻转门后状态塌缩成与第二相位翻转门所接收到的X基测量结果（t2+t3）相应的状态；
所述第二接收光子(4)经第一相位翻转门后状态塌缩成与第一相位翻转门所接收到的X基测量结果（t1+t3）相应的状态，其中光子2和光子4处于对应状态：；
步骤6：第一相位翻转门根据所接收到的X基测量结果（t1+t3）与第二接收光子4状态的对应关系选择对光子4执行相应的局域幺正操作，将光子4的状态转化成所需制备的光量子态；
第二相位翻转门根据测量结果（t2+t3）与光子2状态的对应关系选择对光子2执行相应的局域幺正操作，将光子2状态转化成所需制备的光量子态；
其中为泡利操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于：步骤1中，代表光子水平偏振态，代表光子垂直偏振态，复数、、、满足归一化关系：、。
3.根据权利要求1所述的一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于：步骤3中，
。
4.根据权利要求1所述的一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于：步骤3中，
，
式中…代表光子(1)、光子(5)、光子(3)不在光路a0’、光路b0’、光路c0’的状态，当光子(1)、光子(5)、光子(3)分别处于光路a0’、光路b0’、光路c0’时，则5光子纠缠信道转化为对应状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于：步骤5中，，式中系数；，式中系数。
6.根据权利要求1所述的一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于：所述X基测量为、。
7.根据权利要求1所述的一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于：所述第一量子态测量模块、第二量子态测量模块和第三量子态测量模块均相同，所述量子态测量模块包括一个阿达马门H和两个相同的量子测量装置，所述两个相同的量子测量装置分别为第一量子测量装置、第二量子测量装置，所述阿达马门H信号输出端与所述第一量子测量装置信号输入端连接，用于执行X基测量，所述第二量子测量装置用于执行Z基测量。
8.根据权利要求1所述的一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法，其特征在于：所述量子态测量模块通过经典信道将X基测量结果传输至相位翻转门。
CN201811233726.4A 2018-10-23 2018-10-23 一种基于光量子态制备系统的光量子双向远程制备方法 Pending CN109039616A (zh)

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CN102955855A (zh) * 2012-10-30 2013-03-06 河南理工大学 基于量子算法的掌纹数据库搜索方法
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JP2017220675A (ja) * 2017-07-26 2017-12-14 セイコーエプソン株式会社 原子セルの製造方法、原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体

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