CN110300725B - 一种量子通信芯片及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种量子通信芯片及系统。该芯片包括马赫曾德干涉仪，用于接收泵浦光脉冲,并产生两个泵浦光脉冲,两个泵浦光脉冲的到达时间不相同；单光子产生装置，用于接收泵浦光脉冲，并产生一对与泵浦光脉冲的波长不同且形成时间纠缠量子态的光子对；第一滤波器，用于滤除两个泵浦光脉冲，得到两个单光子；分光器，用于接收两个单光子，并分别建立两个单光子各自的传播路径，并按照传播路径将两个单光子通过第一光纤芯片耦合器发送至相邻的两个量子通信节点。该芯片产生的时间相互纠缠的单光子对，从而能够用于量子隐形传态，并实现通过中继产生远距离相互纠缠或者量子态的远程传递，最终增加了量子通信的距离。

Description

一种量子通信芯片及系统

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种量子通信芯片及系统。

背景技术

量子通信是指在不同的网络节点中，对量子信息(量子比特的量子态)进行传输、交换以及分析的技术。其主要的应用之一就是量子加密(quantum cryptography)，也称为量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)。与当下所有基于对破解计算时间考量的加密协议不同，QKD的安全性是基于最根本的物理定律，即量子力学定律，其为密钥分发提供了无条件的安全性。

由于QKD传输的是单个量子态，因此需要使用单个光子作为信息载体进行传输。单个光子为强度最小的电磁波，极易受到损耗的干扰，且损耗随着传输距离的增加呈指数上升，从而难以实现超长距离的QKD。针对这一问题，目前有两个解决方案：

第一种是使用量子中继器架构，利用多个节点将一个较长的通信距离分为多个较短的通信距离，通过相邻节点纠缠交换的方法，最终实现长距离量子态传输。然而这个架构需要大量的具有长相干时间(coherent time)的量子存储器(quantum memory)，一方面苛刻的技术要求导致成本过高，另一方面由于量子存储器技术尚不完备，如多节点中继以及有限的带宽。

第二种是使用经典的可信节点(Trusted node)对量子密钥进行分段生成，并通过计算获得最终密钥。即在发送方和接收方之间设置一些可信节点，各中间节点使用QKD自行生成分段密钥，最终密钥为分段密钥通过特定算法获得的结果。然而，在可信节点上，分段密钥一旦生成，便不具备无条件安全性，容易在传输路径上获取该分段密钥而不被发现，安全性大大降低。

发明内容

本申请实施例提供了一种量子通信芯片及量子通信系统来解决量子中继器架构实现困难且成本高昂，以及量子密钥分段生成造成的安全性缺失的问题。

本申请实施例的第一方面提供一种量子通信芯片。该芯片包括第一光纤芯片耦合器，用于通过与芯片连接光纤接收光子，该光纤芯片耦合器会接收第一光纤芯片耦合器用于通过量子通道接收第一光子和第二光子；该第一光子有两种情形，第一种是由发送方发出的光子，第二种是由第一量子通信节点发出的光子，并且，如果是第一量子通信节点发出的光子，则该第一量子通信节点还发出有与第一光子相互纠缠的第四光子；该第二光子为第二量子通信节点发出的光子，并且第二量子通信节点还发出有与所述第二光子相互纠缠的第三光子；接着，由该量子通信芯片上的分光器对第一光子和所述第二光子进行贝尔态测量(Bell state measurement)，使得所述第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态；其中，当第一光子的产生方式不同会有两种不同的情形，第一种，当所述第一光子为发送方发出的光子时，使得所述第三光子具有所述第一光子的量子态；第二种，当所述第一光子为所述第一量子通信节点发出的光子时，所述第四光子与所述第三光子相互纠缠。

可以看出，通过此设计，有两种方式来增加光子的传输距离，第一种能够使得发送方发出的第一光子的量子态传递到第二量子通信节点发出的第三光子上，从而将第二量子通信节点作为中继传递第一光子的量子态，在第二量子通信节点后继续设置该量子通信芯片以及第三通信节点，则可以继续将第一光子的量子态继续向后传递，从而实现量子态的远程传递；第二种能够使得第一量子通信节点发出的第四光子与第二量子通信节点发出的第三光子之间发生纠缠，而第四光子会发送到第一量子通信节点的前一个量子通信节点，而第三光子则会发送到第二量子通信节点的后一个量子通信节点，从而通过多级中继实现产生远距离相互纠缠的两个光子，并能通过两个光子进行密匙传输；两种方式中的传递过程无需设置量子态存储器，架构简单，造价低；此外，也不需要在中间节点对量子态进行测量，因此仍然具有量子通信的无条件安全性。在一些实施例中，分光器为50∶50分光器，对所述第一光子和所述第二光子进行贝尔态测量可以采用以下方式，首先将第一光子和所述第二光子输入至所述50∶50分光器两个输入端，接着，50∶50分光器输出的两个光子发送至单光子探测器，单光子探测器同时探测到所述50∶50分光器输出的所述第一光子和所述第二光子，则确定所述第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态。可以看出，通过此50∶50分光器可以较为便捷的分辨出第一光子和所述第二光子是否坍缩到预设状态。

在一些实施例中，量子通信芯片上设有该单光子探测器。从而能够使得分光器发出的第一光子和第二光子能够直接被该芯片上的单光子探测器获取，增加量子通信芯片的集成度。

在一些实施例中，该单光子探测器并不设置在量子通信芯片上，而是在量子通信芯片的外部，此时需要将生成第一光子和第二光子传输到芯片外部的单光子探测器上，因此，在该量子通信芯片上还可设置第二光纤芯片耦合器，该第二光纤芯片耦合器用于接收所述50∶50分光器输出的所述第一光子和所述第二光子，并将所述第一光子和所述第二光子发送至所述量子通信芯片外部的所述单光子探测器。可以看出，由于单光子探测器可能有多种实现方式，而在量子通信芯片上不集成单光子探测器，一方面能够降低芯片设计的复杂度，另一方面，还能使得量子通信芯片能够适用于多种单光子探测器。

在一些实施例中，该量子通信芯片上设有控制器或者该控制器设置在量子通信芯片外部，通过与量子通信芯片通信来控制分光器的工作状态，并对贝尔态测量进行分析。可以看出，量子通信芯片可以按照需求灵活选择集成或者不集成控制器，从而增加量子通信芯片适用范围。

本申请实施例第二方面还提供一种量子通信芯片，该芯片包括马赫曾德干涉仪，用于接收泵浦光源发出的泵浦光脉冲，并产生两个泵浦光脉冲，两个泵浦光脉冲的到达时间不相同，该芯片上还设有单光子产生装置，主要用于接收两个泵浦光脉冲，并且产生一对与两个泵浦光脉冲的波长不同且形成时间纠缠量子态的光子对；此外，该芯片上还设有第一滤波器，主要用于滤除泵浦光脉冲对纠缠态控制和测量的干扰，从而得到高品质的纠缠光子对；接着，由设置在芯片上的分光器分离纠缠的光子对，并且建立两套独立的传输路径，最后，按照该传播路径将两个所述纠缠的单光子通过第一光纤芯片耦合器发送至相邻的两个量子通信节点。完成相互纠缠的光子对的生成过程。

可以看出，通过上述方式，能从泵浦光源发出的泵浦光脉冲中产生出一对相互纠缠的光子，并且这对光子在时间纠缠，即在同一个泵浦光脉冲中生成的两个时域纠缠的光子，此外，该光子对中光子的波长与两个泵浦光脉冲的波长并不相同，两个泵浦光脉冲除了到达时间不相同之外，其余的特性均相同。即该光子对中的光子能够满足第一方面或者第一方面任一实现方式中给出的量子通信芯片中对于贝尔态测量所需的两个光子。从而能够实现通过中继产生远距离相互纠缠或者量子态的远程传递，最终增加了量子通信的距离。

在一些实施例中，马赫曾德干涉仪在产生两个泵浦光脉冲的同时，也有可能产生一些噪声光子，这些噪声光子有可能对生成相互纠缠的光子对造成影响，因此，在量子通信芯片上，位于马赫曾德干涉仪和单光子产生装置之间还设有第二滤波器，该第二滤波器的主要作用便是滤除这些噪声光子，从而两个泵浦光脉冲输入至单光子产生装置。能够消除可能产生的噪声光子对生成相互纠缠的光子对的影响。

在一些实施例中，该量子通信芯片上设有控制器或者该控制器设置在量子通信芯片外部，通过与量子通信芯片通信来控制控制所述马赫曾德干涉仪、第一滤波器、第二滤波器和分光器的工作状态。可以看出，量子通信芯片可以按照需求灵活选择集成或者不集成控制器，从而增加量子通信芯片的适用范围。

在一些实施例中，该单光子产生装置有多种实现方式，例如可以为由具有三阶非线性或者二阶非线性的特性的波导。即只要是能够产生该与两个泵浦光脉冲的波长不同且形成时间纠缠量子态的光子对的器件即可。此外，该光子对与两个泵浦光脉冲之间具备能量与动量守恒的特性。

在一些实施例中，量子通信芯片上设有该泵浦光源。从而能够使得仅通过芯片便可实现相互纠缠的光子对的生成，增加量子通信芯片的集成度。

在一些实施例中，该泵浦光源并不设置在量子通信芯片上，而是在量子通信芯片的外部，此时需要将生成泵浦光脉冲传输到芯片外部的单光子探测器上，因此，在该量子通信芯片上还可设置第二光纤芯片耦合器，该第二光纤芯片耦合器用于接收芯片外部的泵浦光源发出的泵浦光脉冲，并将泵浦光脉冲发送至所述量子通信芯片上的马赫曾德干涉仪。可以看出，由于泵浦光源可能有多种实现方式，而在量子通信芯片上不集成泵浦光源，一方面能够降低芯片设计的复杂度，另一方面，还能使得量子通信芯片能够适用于多种泵浦光源。

本申请实施例第三方面还提供一种量子通信芯片，该量子通信芯片包括第一方面或者第一方面中任意一种实现方式所提供的量子通信芯片，以及第二方面或者第一方面中任意一种实现方式所提供的量子通信芯片。即，仅需要一种规格的量子通信芯片即可同时完成相互纠缠的光子对的生成，以及对接收的两个光子进行贝尔态测量。使得量子通信系统的布置上更为简单。

本申请实施例第四方面还提供一种量子通信系统，该系统中，包括至少一个第一方面或者第一方面中任意一种实现方式所提供的量子通信芯片或者是第三方面所提供的量子通信芯片作为第一量子通信节点，还包括至少一个第二方面或者第二方面中任意一种实现方式所提供的量子通信芯片或者是第三方面所提供的量子通信芯片作为第二量子通信节点；此外，第一量子通信节点与所述第二量子通信节点之间交替设置，构成整个量子通信系统。该量子通信系统在工作时，第一量子通信节点向相邻的两个第二量子通信节点分别发送一个光子，发送至相邻两个第二量子通信节点的两个光子为相互纠缠的两个光子，所述第二量子通信节点用于对接收的两个光子进行贝尔态测量。该量子通信系统能够通过量子隐形传态这一特性实现量子态的远距离传递或者是产生距离较远的相互纠缠的两个光子，从而增加量子通信的距离。

附图说明

图1是可信节点传递量子密钥的实现示意图；

图2a均是本申请实施例的量子通信系统的架构示意图；

图2b均是本申请实施例的量子通信系统的架构示意图；

图3是本申请实施例的量子通信芯片的一个实施例图；

图4是本申请实施例的量子通信芯片的一个实施例图；

图5是本申请实施例的量子通信芯片中量子隐形传态与贝尔态测量的原理示意图；

图6是本申请实施例的量子通信芯片中通过分光器进行贝尔态测量的结构示意图；

图7是本申请实施例的量子通信芯片中量子隐形传态与贝尔态测量的原理示意图；

图8是本申请实施例的量子通信芯片的一个实施例图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种量子通信芯片及系统，通过量子隐形传态，建立中继以实现量子态的远距离传递或者是产生距离较远的相互纠缠的两个光子，从而增加量子通信的距离。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例进行描述。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”或“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

量子通信的安全性基于量子力学的基本原理，即海森堡不确定关系、测量坍缩原理和量子不可克隆原理。海森堡不确定关系，是指无法精确测量量子系统中两个非对易的物理量。测量坍缩原理，是指一旦对量子态进行测量就会使该量子态坍缩到它的某一个本征态上。不可克隆原理是指无法复制一个未知的量子态。基于测量坍缩原理，窃听者一旦对传送的量子态进行测量，就会一定程度地改变初始量子态，从而被通信双方所察觉。基于不可克隆原理和不确定关系，第三方无法通过测量再复制发送的方式实现信息的窃取。这些量子力学原理都保证了量子通信的无条件安全性，即便第三方拥有无限的计算资源与物理学所允许的信道窃听手段，量子通信仍可以保证通信双方安全地交换信息。

目前量子通信最常用的信息载体为单个光子，通过光子的偏振、到达时间等性质可对光子的量子态进行编码。然而，现实中的光通信信道都不可避免的存在损耗，因此单个光子在信道中会有一定概率被耗散，而且其被耗散的几率与信道的长度成正比。例如，如果光纤的单位损耗为0.2dB/km，那么一根长为100km的光纤信道的总损耗为20dB，那么单个光子就只有1％的几率通过该信道而不会被耗散。因此，如果量子通信的信道过长，通信双方就无法有效地发送或接收量子态，从而导致误码率升高而最终无法成码。

为了解决上述问题，目前有两种解决方案，第一种是使用量子中继器架构，利用多个节点将一个较长的通信距离分为多个较短的通信距离，通过相邻节点纠缠交换的方法，将储存在各节点的量子态不断复制和提纯，最终发送给接收方。然而这个架构需要大量的具有长相干时间的量子存储器，一方面苛刻的技术要求导致成本过高，另一方面由于量子存储器技术尚不完备，如多节点中继以及有限的带宽。第二种是，使用可信节点对量子密钥进行分段生成，并通过计算获得最终密钥，具体请参阅图1，图1是可信节点传递量子密钥的实现示意图，其中，Alice和Bob之间设有多个节点，如从而Node1、Node2直至NodeN，NodeN直接与Bob通信，Alice与node1、node1与node2……nodeN与Bob间分别通过QKD的方式生成密钥，之后通过特定的运算，获得最终密钥。然而由于在可信节点的密钥一旦生成就不具备无条件安全性，窃听者很有可能在此处获得密钥而不被发现，安全性大大降低。上述两种方式目前都不能从根本性上解决上述问题。

有鉴于此，本申请提供一种量子通信芯片及系统，区别于采用偏振态进行码元编码，在该系统中，采用一对相互纠缠的光子，并使用到达时间对纠缠态进行编码。量子纠缠是指多个粒子在相互作用之后，其量子态出现关联而无法独立描述的现象。在该编码方式中，以光脉冲周期为视角，每个周期中有两个光脉冲，两个光子在时域上所处的位置相互纠缠，即只会同时出现在该周期的第一个光脉冲或者是第二个光脉冲中。测量上述光子对其中一个光子所处的光脉冲时间，如果得到的结果为其处在第一光脉冲，则另外一个光子也一定处在第一光脉冲；如果得到的结果为其处在第二光脉冲，则另外一个光子也一定处在第二光脉冲。在测量之前，这两个光子处在

的纠缠态，其中|00>为两个光子在第一光脉冲，为|11>两个光子在第二光脉冲，两种情况的概率相同。中继过程主要采用量子隐形传态的原理。关于本申请系统的架构，请参阅图2a和图2b，图2a和图2b均是本申请实施例的量子通信系统的架构示意图，图2a中通过构造交替设置的第一量子通信节点201和第二量子通信节点202，第一量子通信节点201可以向相邻的两个第二量子通信节点202分别发送一个光子，发送至相邻两个第二量子通信节点202的两个光子为相互纠缠的两个光子，第二量子通信节点202用于对接收的两个光子进行贝尔态测量，对于发送方和接收方，是通过第一量子通信节点201发出的光子之间的相互纠缠实现通信。当然，在图2b中，提供给第一量子通信节点201的光子还可以是发送方提供的，此时贝尔态测量可以使得与该第一量子通信节点201相邻第二量子通信节点202发出的两个光子之中，发送给相邻的另一个第一量子通信节点201的光子的量子态与该发送方的光子的量子态相同，完成量子态的传递，从而增加量子通信距离。

下面对本申请实施例系统中作为第一量子通信节点和第二量子通信节点的量子通信芯片进行介绍。

一、第一量子通信节点，该量子通信节点的主要功能是产生相互纠缠的两个光子。请参阅图3，图3是本申请实施例的量子通信芯片的一个实施例图，图3中，虚线框所示器件为量子通信芯片3中的可选器件，其中该量子通信芯片3包括依次形成光通路的马赫曾德干涉仪301、单光子产生装置302、第一滤波器303、分光器304以及第一光纤芯片耦合器305：其中，

马赫曾德干涉仪301用于在接收泵浦光源300发出的泵浦光脉冲后，产生两个泵浦光脉冲；

接着，单光子产生装置302在接收该两个泵浦光脉冲后，产生一对与两个泵浦光脉冲的波长不同且形成时间纠缠量子态的光子对；

接下来由第一滤波器303滤除两个泵浦光脉冲，得到高品质的纠缠光子对；

将两个所述单光子输入分光器304，该分光器304会建立两条独立的传播路径，并且，按照所述传播路径将两个纠缠的单光子通过第一光纤芯片耦合器305发送至相邻的两个量子通信节点光纤芯片。

其中，该第一光纤芯片耦合器305作为该量子通信芯片的光接口，将该量子通信芯片产生的光子发送至与该第一光纤芯片耦合器305连接的光纤上。

此外，该马赫曾德干涉仪301为不等臂马赫曾德干涉仪，该干涉仪在接收到泵浦光脉冲后，首先经过该马赫曾德干涉仪301内部的分光器分成两个泵浦光脉冲，接着，这两个泵浦光脉冲分别经过信号臂和参考臂到达输出端，由于信号臂和参考臂不不对称的，因此两个泵浦光脉冲在其中传输的时间不同，从而到达输出端的时间也不同，因而会产生时间上一前一后两个泵浦光脉冲，另外，由于并没有对两个泵浦光脉冲做任何改变其光学性质的处理，因此两个泵浦光脉冲除了到达时间上不相同之外，其余光学特性完全相同，与泵浦光源发出的泵浦光脉冲的光学特性也是相同的。具体地，上述不等臂马赫曾德干涉仪为马赫曾德干涉仪的一种特殊形式，其两个干涉臂的长度之差为光在干涉臂中的传播速度乘以上述两个泵浦光脉冲在时域上的间隔。

可选的，单光子产生装置302为由具有三阶非线性，或者二阶非线性材料制成的波导。当泵浦光脉冲通过上述波导时，会以一定几率由非线性效应产生一对与泵浦光脉冲波长不同的光子。具体地，上述非线性效应可以为二阶非线性效应，即一个泵浦光子转换为一对与泵浦光脉冲频率不同的单光子，这对光子与被转换的泵浦光子保证能量与动量守恒；另外，上述非线性效应可以为三阶非线性效应，即两个泵浦光子转换为一对与泵浦光脉冲频率不同的单光子，这对光子与被转换的两个泵浦光子保证能量与动量守恒。此外，由于光子对的产生概率很小，因此前后两个泵浦光脉冲同时产生一对光子的事件可忽略不计，从而生成的光子对形成了时间纠缠量子态：

其中|00>代表上述光子对处在第一个光脉冲时间区间内，|11>代表上述光子对处在第二个光脉冲时间区间内。接着，再通过第一滤波器303滤除泵浦光脉冲得到两个单光子，最后，通过分光器304将两个单光子分开，并通过第一光纤芯片耦合器305将两个光子通过量子通道发送至相邻的两个量子通信节点，由于本实施例中的量子通信节点为第一量子通信节点，因此，产生的光子对可发送至与该第一量子通信节点相邻的两个第二量子通信节点，以使得第二量子通信节点进行贝尔态测量。

可选的，由于在泵浦光脉冲产生过程中有可能会产生与泵浦光脉冲的波长不同的光子，该光子为噪声，会导致通信误码率上升。为了去除上述噪声光子，可以采用第二滤波器306，因此，该量子通信芯片3还包括位于该马赫曾德干涉仪301和单光子产生装置302之间的第二滤波器306，该第二滤波器306用于滤除上述噪声光子。

可选的，该泵浦光源300可以是设置在该量子通信芯片3的器件，也可以是不设置在该量子通信芯片3上的器件。当该泵浦光源不是设置在该量子通信芯片3上的器件时，该量子通信芯片3上还可设置第二光纤芯片耦合器307，第二光纤芯片耦合器307用于接收所述量子通信芯片3外部的泵浦光源300发出的泵浦光脉冲，并将泵浦光脉冲发送至所述马赫曾德干涉仪301；其中，泵浦光源300发出的光可通过传输介质传输至该量子通信芯片3上，例如通过光纤。可以看出，由于泵浦光源300可能有多种实现方式，而在量子通信芯片上不集成泵浦光源，一方面能够降低芯片设计的复杂度，另一方面，还能使得量子通信芯片能够适用于多种泵浦光源。此外，若是泵浦光源300集成在量子通信芯片3上，则能够增加量子通信芯片的集成度。对于集成与否的选择可根据实际需求进行确定，不作限定。

可选的，该量子通信芯片3上设有控制器308或者该控制器308设置在量子通信芯片外部，该控制器308主要用于对马赫曾德干涉仪301、所述第一滤波器303、所述第二滤波器306和所述分光器304正常工作状态的控制。量子通信芯片3可以按照需求灵活选择集成或者不集成控制器，从而增加量子通信芯片3的适用范围。

可以看出，通过上述方式，能从泵浦光源发出的泵浦光脉冲中产生出一对相互纠缠的光子，并且这对光子在时间上是时间上的纠缠，即在同一个泵浦光脉冲中生成的两个光子，此外，该光子对中光子的波长与泵浦光脉冲的波长并不相同，而且该光子对与两个泵浦光脉冲之间具备能量与动量守恒的特性。即该光子对中的光子能够满足第一方面或者第一方面任一实现方式中给出的量子通信芯片中对于贝尔态测量所需的两个光子。从而能够实现通过中继产生远距离相互纠缠或者量子态的远程传递，最终增加了量子通信的距离。

二、第二量子通信节点，该量子通信节点的主要功能是接收相互纠缠的两个光子，并对两个光子进行贝尔态测量来实现量子态的传递。请参阅图4，图4是本申请实施例的量子通信芯片的一个实施例图，图4中的虚线框所示器件为该量子通信芯片4中的可选器件，该量子通信芯片4包括：

第一光纤芯片耦合器401，该第一光纤芯片耦合器401通过量子通道接收第一光子和第二光子，其中，第一光子有两种情形，第一种是由发送方发出的光子，第二种是由第一量子通信节点发出的光子，并且，如果是第一量子通信节点发出的光子，则该第一量子通信节点还发出有与第一光子相互纠缠的第四光子；该第二光子为第二量子通信节点发出的光子，并且第二量子通信节点还发出有与所述第二光子相互纠缠的第三光子；

分光器402，用于对所述第一光子和所述第二光子进行贝尔态测量，使得所述第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态；

当所述第一光子为发送方发出的光子时，使得所述第三光子具有所述第一光子的量子态；或者，当所述第一光子为所述第一量子通信节点发出的光子时，所述第四光子与所述第三光子相互纠缠。

可选的，该分光器402可以是50∶50分光器，该贝尔态测量可以是将所述第一光子和所述第二光子输入分光器402两个输入端，所述分光器402输出的两个光子发送至单光子探测器，若单光子探测器同时探测到所述分光器402输出的两个光子，则确定所述第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态。可以看出，通过此分光器402可以较为便捷的分辨出第一光子和所述第二光子是否坍缩到预设状态，提高贝尔态测量的分析效率。

可选的，量子通信芯片4上设有该单光子探测器403。从而能够使得分光器402发出的第一光子和第二光子能够直接被该芯片上的单光子探测403器获取，增加量子通信芯片4的集成度。此外，该单光子探测器403并不设置在量子通信芯片4上，而是在量子通信芯片4的外部，此时需要将生成第一光子和第二光子传输到芯片外部的单光子探测器403上，因此，在该量子通信芯片4上还可设置第二光纤芯片耦合器404，该第二光纤芯片耦合器404用于接收分光器402输出的所述第一光子和所述第二光子，并将所述第一光子和所述第二光子发送至所述量子通信芯片4外部的所述单光子探测器403。可以看出，由于单光子探测器403可能有多种实现方式，而在量子通信芯片4上不集成单光子探测器403，一方面能够降低芯片设计的复杂度，另一方面，还能使得量子通信芯片4能够适用于多种单光子探测器403。可以根据实际需求灵活的选取是否集成该单光子探测器403，此处不做限定。

可选的，该量子通信芯片4上设有控制器405或者该控制器405设置在量子通信芯片4外部，通过与量子通信芯片4通信来控制分光器402的工作状态，并对贝尔态测量进行分析。可以看出，量子通信芯片4可以按照需求灵活选择集成或者不集成控制器405，从而增加量子通信芯片适用范围。

需要说明的是，本实施例中，一共具有两种应用场景，第一场景即对应到图2a系统对应的场景，第二场景即图2b系统所对应的场景。对于图2a系统所对应的场景，第一量子通信节点还会发出第四光子，该第四光子与第一光子互相纠缠的两个光子，当第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态时，会使得第四光子与第三光子也为互相纠缠的两个光子；对于图2b系统所对应的场景，当第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态时，会使得所述第三光子具有所述第一光子的量子态。

下面对第一场景中的贝尔态测量进行说明，请参阅图5和图6，图5是本申请的量子通信芯片中量子隐形传态与贝尔态测量的原理示意图，图6是本申请的量子通信芯片中通过分光器进行贝尔态测量的结构示意图，图5中，第四光子(图5中为光子1)和第一光子(图5中为光子2)为第一量子通信节点(图5中为芯片1)产生的一对相互纠缠的光子对，其中，光子2发送至量子通信芯片4(图5中为芯片2)，光子1发送至上一个量子通信芯片或者发送方；第二光子(图5中为光子3)和第三光子(图5中为光子4)为量子通信节点(图5中为芯片3)产生的一对相互纠缠的光子对，其中，光子3发送至芯片2，光子4发送至下一个量子通信芯片或者接收方。在芯片2上对光子2和光子3进行贝尔态测量，并根据测量结果告知光子1和光子4纠缠结果。该过程的量子力学表述如下：

其中，

分别为相互纠缠的两个光子的序号；|m>_n代表第n个光子处在第m个光脉冲(m＝0代表第一个光脉冲时间区间，m＝1代表第二个光脉冲时间区间)。

另外，由于使用50∶50分光器402只能识别

态，因此本操作有1/4的成功几率。相应地，光子1和光子4塌缩到

图6中，光子2和光子3分别进入到50∶50分光器(Beam Splitter，BS)，在输出端，使用相同的单光子探测器403进行探测，如探测器d1和探测器d2，如果两个探测器同时探测到光子，证明第一光子和第二光子塌缩到

态，否则，两个光子从同一个端口出射，则无法分辨其纠缠态。

可以看出，第一场景中，主要通过量子纠缠效应以及量子隐形传态来使得Alice和Bob之间进行量子通信，如图2a的架构所示，通过第二量子通信节点2、第二量子通信节点4、直至第二量子通信节点n-1进行贝尔态测量来实现第一量子通信节点1、第一量子通信节点至第一量子通信节点n发出的光子之间相互纠缠，最终使得第一量子通信节点1发送给Alice的光子和第一量子通信节点n发送给Bob的光子之间发生纠缠。

下面对第二场景中的贝尔态测量进行说明，请参阅图7，图7是本申请的量子通信芯片中量子隐形传态与贝尔态测量的原理示意图，图7中，第一量子通信节点(图7中为发送方Alice)向量子通信芯片4(图7中为芯片1)发送第一光子(图7中为光子1)，该第一光子具有图7中所示的量子态|φ>；第二量子通信节点(图7中为芯片2)产生第二光子(图7中为光子2)和第三光子(图7中为光子3)，光子2和光子3是相互纠缠的两个光子。其中，光子2发送至芯片1，光子3发送至下一个量子通信芯片或者接收方。在芯片1上对光子1和光子2进行贝尔态测量，并将光子1的量子态传递到光子3。该过程的量子力学表述如下：

其中，a、b为量子态|φ>的归一化系数；

分别为相互纠缠的两个光子的序号；|m>_n代表第n个光子处在第m个光脉冲(m＝0代表第一个光脉冲时间区间，m＝1代表第二个光脉冲时间区间)。

另外，由于使用50∶50分光器402学只能识别

态，因此本操作有1/4的成功几率。相应地，光子3塌缩到-a|0>₃-b|1>₃。

具体的，贝尔态测量的方法为，光子1和光子2分别进入到50∶50分光器402，在输出端，使用相同的单光子探测器进行探测，如果两个探测器同时探测到光子，证明光子3塌缩到-a|0>₃-b|1>₃，两个光子从同一个端口出射，则无法分辨其量子态。

可以看出，第二场景中，主要通过量子纠缠效应以及量子隐形传态来使得Alice和Bob之间进行量子通信，如图2b的架构所示，Alice发出的光子的量子态通过第二量子通信节点1上的贝尔态测量，被传递至第一量子通信节点2发送至第二量子通信节点3的光子，接着，第一量子通信节点2发送至第二量子通信节点3的光子的量子态又会被传递到第一量子通信节点4发送至下一个芯片的光子，依次方式传递，最终将Alice发出的光子的量子态传递到第一量子通信节点n发送给Bob的光子，使得Bob通过测量接收的光子的量子态即可获知Alice发出的光子的量子态。

需要说明的是，对于图2a或者图2b中的第一量子通信节点或者第二量子通信节点，除了采用图3所示实施例中的量子通信芯片或者图4所示实施例中的量子通信芯片，还可以采用同时具有图3所示实施例中的量子通信芯片和图4所示实施例中的量子通信芯片。该结合图3和图4所示实施例的量子通信芯片的结构如图8所示，图8是本申请实施例的量子通信芯片的一个实施例图，用于产生光子和用户贝尔态分析的控制仅需用同一个控制器即可。图8中，箭头所示为光路方向，非箭头连线为信号线路，该量子通信芯片8中产生光子对的部分包括第二光纤芯片耦合器801、马赫曾德干涉仪802、第二滤波器803、单光子产生装置804、第一滤波器805、分光器806和第一光纤芯片耦合器807；泵浦光源9发出的泵浦光脉冲发送至第二光纤芯片耦合器801，产生的光子对通过第一光纤芯片耦合器807发出。该量子通信芯片8中进行贝尔态测量的部分包括第四光纤芯片耦合器808、分光器809和第三光纤芯片耦合器810，其中，被测的两个光子通过第三光纤芯片耦合器810进入到量子通信芯片8，分光器输出的两个光子通过第四光纤芯片耦合器808发送至单光子探测器10。另外，控制器11一方面连接有经典信道，用于与其他设备通信，另一方面，还依次连接并控制马赫曾德干涉仪802、第二滤波器803、第一滤波器805、分光器806和分光器809。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案和范围。

Claims (13)

1.一种量子通信芯片，其特征在于，包括：

马赫曾德干涉仪，用于接收泵浦光源发出的泵浦光脉冲,马赫曾德,并产生两个泵浦光脉冲,所述两个泵浦光脉冲的到达时间不相同；

单光子产生装置，用于接收所述两个泵浦光脉冲，并产生一对与所述两个泵浦光脉冲的波长不同且形成时间纠缠量子态的光子对；

第一滤波器，用于滤除所述两个泵浦光脉冲，得到两个单光子；

分光器，用于接收两个所述单光子，并分别建立两个所述单光子各自的传播路径，并按照所述传播路径将两个所述单光子通过第一光纤芯片耦合器发送至相邻的两个量子通信节点；

第三光纤芯片耦合器，用于通过量子通道接收第一光子和第二光子，并将所述第一光子和第二光子发送至第一分光器，所述第一光子为发送方或者与所述量子通信芯片相邻的第一量子通信节点发出的第一光子，当所述第一光子为所述第一量子通信节点发出的光子时，所述第一量子通信节点还发出有与所述第一光子相互纠缠的第四光子；所述第二光子为与所述量子通信芯片相邻的第二量子通信节点发出的第二光子，所述第二量子通信节点还发出有与所述第二光子相互纠缠的第三光子；

第一分光器，用于对所述第一光子和所述第二光子进行贝尔态测量，使得所述第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态；

当所述第一光子为发送方发出的光子时，使得所述第三光子具有所述第一光子的量子态；或者，当所述第一光子为所述第一量子通信节点发出的光子时，所述第四光子与所述第三光子相互纠缠。

2.根据权利要求1所述的量子通信芯片，其特征在于，所述量子通信芯片还包括位于所述马赫曾德干涉仪和所述单光子产生装置之间的第二滤波器，所述第二滤波器用于滤除所述两个泵浦光脉冲中的噪声光子。

3.根据权利要求2所述的量子通信芯片，其特征在于，所述量子通信芯片上设有控制器或者所述量子通信芯片还与所述量子通信芯片外部的控制器通信，所述控制器用于控制所述马赫曾德干涉仪、所述第一滤波器、所述第二滤波器和所述分光器。

4.根据权利要求1所述的量子通信芯片，其特征在于，所述单光子产生装置为由具有三阶非线性或者二阶非线性的特性的波导。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的量子通信芯片，其特征在于，所述量子通信芯片上设有所述泵浦光源。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的量子通信芯片，其特征在于，所述量子通信芯片上还设有第二光纤芯片耦合器，所述第二光纤芯片耦合器用于接收所述量子通信芯片外部的泵浦光源发出的泵浦光脉冲，并将所述泵浦光脉冲发送至所述马赫曾德干涉仪。

7.一种量子通信芯片，其特征在于，包括第一光纤芯片耦合器，所述第一光纤芯片耦合器用于通过量子通道接收第一光子和第二光子，并将所述第一光子和第二光子发送至分光器，所述第一光子为发送方或者与所述量子通信芯片相邻的第一量子通信节点发出的第一光子，当所述第一光子为所述第一量子通信节点发出的光子时，所述第一量子通信节点还发出有与所述第一光子相互纠缠的第四光子；所述第二光子为与所述量子通信芯片相邻的第二量子通信节点发出的第二光子，所述第二量子通信节点还发出有与所述第二光子相互纠缠的第三光子；

分光器，用于对所述第一光子和所述第二光子进行贝尔态测量，使得所述第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态；

当所述第一光子为发送方发出的光子时，使得所述第三光子具有所述第一光子的量子态；或者，当所述第一光子为所述第一量子通信节点发出的光子时，所述第四光子与所述第三光子相互纠缠。

8.根据权利要求7所述的量子通信芯片，其特征在于，所述分光器为50:50分光器，对所述第一光子和所述第二光子进行贝尔态测量包括：

将所述第一光子和所述第二光子输入至所述50:50分光器两个输入端，所述50:50分光器输出的两个光子光纤芯片耦合器发送至单光子探测器，若所述单光子探测器同时探测到所述50:50分光器输出的所述第一光子和所述第二光子，则确定所述第一光子和所述第二光子坍缩到预设状态。

9.根据权利要求7或8所述的量子通信芯片，其特征在于，所述量子通信芯片上设有单光子探测器。

10.根据权利要求7或8所述的量子通信芯片，其特征在于，所述量子通信芯片上还设有第二光纤芯片耦合器，所述第二光纤芯片耦合器用于接收所述分光器输出的所述第一光子和所述第二光子，并将所述第一光子和所述第二光子发送至所述量子通信芯片外部的单光子探测器。

11.根据权利要求7或8所述的量子通信芯片，其特征在于，所述量子通信芯片上还设有控制器或者所述量子通信芯片还与所述量子通信芯片外部的控制器通信，所述控制器用于控制所述分光器的工作状态，以及对贝尔态测量的分析。

12.一种量子通信芯片，其特征在于，所述量子通信芯片上集成有如权利要求1至6中任一项所述的量子通信芯片以及如权利要求7至11中任一项所述的量子通信芯片。

13.一种量子通信系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至6中任一项或者权利要求12所述的量子通信芯片作为第一量子通信节点，以及至少一个如权利要求7至12中任一项所述的量子通信芯片作为第二量子通信节点，所述第一量子通信节点与所述第二量子通信节点之间交替设置，所述第一量子通信节点向相邻的两个第二量子通信节点分别发送一个光子，发送至相邻两个第二量子通信节点的两个光子为相互纠缠的两个光子，所述第二量子通信节点用于对接收的两个光子进行贝尔态测量。

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