CN1639660A - 利用单光子的量子态执行逻辑操作的技术 - Google Patents

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詹姆斯·D·弗兰森
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Abstract

一种利用单光子的量子偏振态执行逻辑操作的方法和设备，包括第一偏振分束器，该分束器具有用于第一组正交偏振的多个第一输入空间模式和多个第一输出空间模式。第二偏振分束器具有用于第二组正交偏振的一个第二输入空间模式和多个第二输出空间模式。第二组正交偏振不同于第一组。第二输入空间模式与第一检波输出空间模式校准。沿第二输出空间模式中的每一个模式设置多个单光子检测器中的一个单光子检测器。第一设备输出部分基于由单光子检测器检测到的大量光子来承载输出光子。这样的逻辑操作可在用于量子信息处理的量子计算机中使用。

Description

利用单光子的量子态执行逻辑操作的技术
                        相关申请的交叉参考
本申请要求的优先权申请是2001年11月6日提出的临时申请号为60/332,837和2002年9月30日提出的临时申请号为60/414,964的美国专利申请，根据35U.S.C.§119(e)的规定，这些申请的全部内容在此作为参考并入本文。
                            发明背景
1、发明领域
本发明涉及量子信息处理，更具体地说，本发明涉及利用单光子的量子态执行逻辑操作的技术。
2、相关技术的描述
本部分所描述的已有方法即使追溯，也不一定是以前所构思或设想的方法。因此，除非本文另外指明，否则本部分所描述的这些方法不能仅仅由于存在于本发明的背景部分中，就认为是本申请权利要求书的已有技术。
利用经典计算机的信息处理依赖于物理现象，例如能够在两个基态的每一个中产生和测量的磁场、电压和光强度，其中一个基态表示0，而另一个基态表示1。能够获得任一基态的每个物理要素都代表一个被称作比特(bit)的二进制位。量子信息处理利用展现量子特性的物理要素，这些特性不仅包括两个或更多基态中的一个，而且还包括这些基态的任意叠加态。叠加态具有作为基态之一被测量的一些非零几率和作为基态的另一个被测量的一些非零几率。展现两个基态的量子特性的物理要素代表一个量子比特，也称作库比特(qubit)。适合代表库比特的物理要素包括单个电子的自旋、原子或分子的电子态、分子及固体的核自旋、磁通量、单光子的空间传播模式以及单光子的偏振作用。
在库比特上执行的逻辑操作不仅施加到这些库比特的基态上，而且还同时施加到这些库比特的叠加态上。基于库比特系统上的逻辑操作的量子计算机能够执行高度同时处理(还被称作高度并行处理)，该处理能够编址被认为用经典信息处理难以解决的问题。这些能够用量子计算机编址的经典难以解决的问题包括量子相互作用的模拟、未分级数据的组合搜索、发现大整数的质因数、解决目前的保密通信运算中所用的密码键，以及真实保密通信(还称作“量子密码术”)。
构建量子计算机的障碍是，难以从环境与传输库比特的失控相互作用中将库比特分离出来。许多代表库比特的物理要素诸如分子和固体都不易传输，并且与其环境没有很强的相互作用。
然而，单光子与许多环境(包括玻璃纤维和空气)几乎没有相互作用，并且易于在这些介质中传输。因此，已经有若干种方法利用单光子的量子特性。
一种方法利用单光子之间的非线性相互作用，在单光子上执行逻辑操作。而单光子之间的非线性相互作用的问题是，这些相互作用非常弱，因此没有设备能够令人满意地实施这种方法。
另一种方法利用单光子之间的线性相互作用，但是依赖于干涉仪技术，例如对单光子的两种空间传播模式进行干涉。诸如，利用该方法的逻辑门已经在以下文献中公开：E.Knill，R.Laflamme，and G.J.Milburn，“A scheme for efficientquantum computation with linear optics，”Nature，vol.409，4 January 2001(此后称作Knill)；M.Koashi，T.Yamamoto，and N.Imoto，“Probabilisticmanipulation of entangled photons，”Physical Review A，vol.63，030301，12February 2001(此后称作Koashi).将这些设备称作“几率”逻辑门，因为它们只响应输入光子的分数而执行所需的逻辑操作。然而，可以确定何时成功执行了一个操作，从而在经常被称作“后选择”步骤或“检波后选择”步骤的一个单独步骤中，输出光子被阻塞，除非成功执行了该操作。业已显示出，该分数可增大到接近于具有足够特定态的分量数和额外光子(被称作“附属物”)数的一个值。
由Knill提出的几率线性设备由于在两个空间模式上具有热诱导的相移，而产生了误差。由Koashil提出的其它几率线性设备通过包括大量的额外分量和其它资源(例如大量特定态的库比特源)而减小了这些相移。
基于以上的描述，显然目前需要能够在单光子的量子态上执行逻辑操作而没有以上所述缺陷的设备。更具体地说，显然需要能够在单光子的偏振态上进行操作、而没有热诱导的相移、也不需要大量额外分量和资源的逻辑设备。
                               发明概述
本发明提供了利用单光子的量子偏振态来执行逻辑操作的技术。按照本发明的一个方面，一种逻辑设备包括第一偏振分束器，该分束器具有用于第一组正交偏振的多个第一输入空间模式和多个第一输出空间模式。第二偏振分束器具有用于第二组正交偏振(与第一组不同)的第二输入空间模式和多个第二输出空间模式。第二输入空间模式与第一输出空间模式的检波输出空间模式校准。沿来自第二偏振分束器的第二输出空间模式中的不同模式设置多个单光子检测器中的每个单光子检测器。第一设备输出部分基于由单光子检测器检测到的大量光子来承载输出光子。用于特定组正交偏振的偏振分束器，传输到达在一个输出空间模式上具有特定组的一个偏振的特定输入空间模式上的光子，并且还传输到达在一个不同输出空间模式上具有特定组的一个不同偏振的特定输入空间模式上的光子。
该逻辑设备是几率的，提供正确的输出，但仅仅产生时间分数的输出。利用基于是哪个单光子检测器实施检测的检波后操作，可使该分数增大。利用额外光子源或线性分量，或两者都用，还可进一步增大该分数。通过利用具有不同组正交偏振的分束器，在单光子的检测过程中没有测量与库比特相关的光子偏振态，并且在利用该逻辑设备实施操作的过程中可维持光子态的相干性。
                              附图简述
以下示例是用来阐述本发明，而不是对本发明的限定，并且在这些附图中，相同的标号表示相同的部件，其中：
图1A按照一个实施例，表示不同组正交偏振态之间的关系；
图1B是利用第一组正交偏振态的偏振分束器的方框图；
图1C是利用第二组正交偏振态的偏振分束器的方框图；
图2A是按照一个实施例表示的量子奇偶检验设备的方框图；
图2B是按照一个实施例表示的图2A量子奇偶检验设备中所用的偏振敏感光子检测器的方框图；
图2C、2D、2E、2F表示在非叠加态上实施操作的图2A量子奇偶检验设备性能的实验结果；
图2G表示在叠加态上实施操作的图2A量子奇偶检验设备性能的实验结果；
图3是用于指示出逻辑设备的各个实施例性能的实验装置的方框图；
图4A是按照一个实施例表示的量子破坏CNOT设备的方框图；
图4B是按照一个实施例表示的图4A量子破坏CNOT设备中所用的偏振敏感光子检测器的方框图；
图4C、4D、4E、4F表示在非叠加态上实施操作的图4A量子破坏CNOT设备性能的实验结果；
图5是按照一个实施例表示的量子编码器的方框图；
图6A是按照一个实施例表示的量子继电器的方框图；
图6B是按照一个实施例表示的图6A量子继电器中所用的偏振敏感光子检测器的方框图；
图6C是按照一个实施例表示的量子继电器系统的方框图；
图7是按照一个实施例表示的量子CNOT的方框图；
图8是按照一个实施例表示的四个交错光子的光源的方框图；
图9是按照另一个实施例表示的利用四个交错光子的量子CNOT的方框图。
                            详细描述
以下描述一种利用单光子的量子偏振态执行逻辑操作的方法和装置。在下面的描述中，为了达到解释目的，罗列了许多具体的细节，以便对本发明进行透彻的了解。然而，对于本领域的技术人员来说，显然没有这些具体的细节也可以实施本发明。另外，以方框图的形式示出了一些公知的结构和设备，以避免使本发明造成不必要的含糊不清。
1.操作内容
以下利用指定为水平(H)和垂直(V)的单光子的特定偏振态，来描述本发明。在其它实施例中，可采用其它偏振态。而且，在下文中，对具有两个垂直输入空间模式和两个垂直输出空间模式的分束器进行描述。在其它实施例中，可以采用具有不同空间模式和更多空间模式的其它偏振分束器。
图1A是按照图示实施例表示不同组正交偏振态之间关系的附图100。在与光子传播方向垂直的一个平面内，将一个偏振方向指定为H，而将偏振的垂直方向指定为V。用水平轴101和垂直轴102来表示与光子传播方向垂直的平面。沿正水平轴指向的绝对量1的矢量103代表水平偏振基态，表示为H。沿正垂直轴指向的绝对量1的矢量104代表垂直偏振基态，表示为V。这两个正交偏振代表库比特偏振的两个基态。光子可以同时处于用这两个基态的复合叠加所表示的状态Ψ中，如公式1所示。
Ψ＝αH+βV                   (1)
其中α和β是包括实部和正交虚部的复合数。正如量子信息处理领域所公知的，α2的大小指示出光子在水平偏振时被测量的几率，而β2的大小指示出光子在垂直偏振时被测量的几率。如公式2所示，二者的和是1。
|α2|+|β2|＝1               (2)
产生总是以水平偏振被测量的光子的光子源生成1H+0V状态的光子，而产生总是以垂直偏振被测量的光子的光子源生成0H+1V状态的光子。
通过测量几个相关光子中的一个光子态，来改变未测量的相关光子的状态，这是量子态众所周知但非直觉的特性。这与通过测量同第二事件的发生相关的第一事件的发生，可改变第二事件发生几率的方式类似。据说该效应可减小据此操作的光子态的相干性。对于在量子计算机(可以将几台设备一起连接在量子网络中)中更有用的量子逻辑设备来说，优选的是，据此操作的光子态的相干性在逻辑设备中不减小。
图1A还示出了相对于同光子传播方向垂直的平面内的基态H，V旋转45°的两个不同的正交偏振(在本文中分别表示为F和S)。在正水平轴之上指向45°的绝对数1的矢量105代表F。而在正垂直轴之后指向45°的绝对数1的矢量106代表S。
图1B是与状态H，V相符的那组正交偏振相关的偏振分束器110(此后称作“H-V PBS”)的方框图。所示出的分束器110具有包括模式112a，112b的两个输入模式112和包括模式114a，114b的两个输出模式114，其中这两个输入模式代表撞击在分束器110上的光子的传播方向，这两个输出模式代表远离分束器110的光子的传播方向。用于特定组正交偏振的偏振分束器，传输到达在一个输出空间模式上具有特定组的一个偏振的特定输入空间模式上的光子，并且还传输到达在一个不同输出空间模式上具有特定组的一个不同偏振的特定输入空间模式上的光子。
在所示出的实施例中，将具有状态1H+0V的空间模式112a中的光子发射到输出模式114a中；而将具有状态0H+1V的空间模式112a中的光子发射到输出模式114b中。在图示实施例中，模式114a与模式112a校准，而模式114b与模式112a垂直，从而相对于输入模式112a，输出模式114a被认为是传输输出模式，输出模式114b被认为是反射输出模式。于是，在图示实施例中，将具有状态1H+0V的空间模式112a中的光子发射到传输输出模式114a中，而将具有状态0H+1V的空间模式112a中的光子发射到反射输出模式114b中。在其它实施例中，将具有状态1H+0V的空间模式112a中的光子发射到反射输出模式114b中，而将具有状态0H+1V的空间模式112a中的光子发射到传输输出模式114a中。同样，在图示实施例中，将具有状态1H+0V的空间模式112b中的光子发射到传输输出模式114b中，而将具有状态0H+1V的空间模式112b中的光子发射到反射输出模式114a中。将具有叠加态的光子发射到具有一个几率的一个模式上，以及发射到具有另一个几率的一个不同模式(例如反射的)上。
以将近100％的效率传输一个基态和以将近100％的效率反射正交态的H-V PBSs在本领域内是公知的。
图1C表示的是与第二组正交偏振F，S(此后称作“F-S PBS”)相关的偏振分束器120的方框图。图示的分束器120具有包括输入模式122a，122b的两个输入模式122和包括输出模式114a，114b的两个输出模式114。
在这些图示的实施例中，将具有F偏振的空间模式122a中的光子发射到输出模式124a中，而将具有S偏振的空间模式122a中的光子发射到输出模式124b中。在这些图示的实施例中，模式124a与模式122a校准，而模式124b与模式122a垂直，从而相对于输入模式122a，输出模式124a被认为是传输输出模式，而输出模式124b被认为是反射输出模式。于是，在这些图示的实施例中，将具有F偏振的空间模式122a中的光子发射到传输输出模式124a中，而将具有S偏振的空间模式122a中的光子发射到反射输出模式124b中。在其它实施例中，将具有S偏振的输入空间模式122a中的光子发射到反射输出模式124b中。
同样，在这些图示的实施例中，将具有F偏振的输入空间模式122b中的光子发射到传输输出模式124b中，而将具有S偏振的输入空间模式122b中的光子发射到反射输出模式124a中。
以将近100％的效率传输一个基态和以将近100％的效率反射正交态的H-V PBSs在本领域内是公知的。通过在将光子引导到H-V PBS上之前，将H-V PBS旋转45°或者通过将光子偏振旋转45°，可实施这样的设备。
2.量子奇偶检验设备
2.1量子奇偶检验设备的结构概述
图2A是按照一个实施例表示的量子奇偶检验设备200的方框图。对纯0态或纯1态进行量子奇偶检验的作用是，在输入库比特值与第二输入库比特(“检验”库比特)值相同的条件下，将输入库比特值传递给输出库比特。如果状态不同，就无光子输出。例如，如下所述，当输入光子处于与第二输入即“检验”光子相同的状态时，量子奇偶检验设备200就产生与输入光子状态相同的输出光子。因此，无从实现对输入库比特值或检验库比特值的测量。可以推广奇偶检验操作，以便施加到叠加态上(如下所述)。
奇偶检验设备200包括H-V PBS210(与图1B中所示的类似)。H-V PBS210具有包括输入模式212a(在图2A中还标记为模式“2”)和检验模式212b(在图2A中还标记为模式“a”)的输入空间模式212。H-V PBS210具有包括传输输出模式214a(在图2A中还标记为模式“2”)和检波输出模式214b(在图2A中还标记为模式“c”)的输出空间模式214。为了图示目的，假设图2A中指定的空间模式在水平面上(从上面观察)。
奇偶检验设备200还包括振敏感检测器220(还标记为“Dc”)，该检测器用于检测检波输出模式214b上的许多单光子。
奇偶检验设备200还包括具有设备输出240的检波后处理器230。在经典数据线232上，将有关检测器220中测得的光子的经典信息传送给检波后处理器230。该检波后处理器可包括一个或多个经典信息处理部件。传输输出模式214a也进入检波后处理器，在该处理器中，传输输出模式214a被阻塞或被变换或未改变地传输给设备输出240。
2.2量子奇偶检验的操作
输入光子到达模式212a，而检验光子到达模式212b。假设这些光子是同时到达的，即，这两个光子是在一个时段内到达的，该时段比其中任一光子与分束器210相互作用的时段都短。
仅仅为了偏振敏感检测器220接收一个且只有一个(“1AO1”)光子的情形，就将传输模式214a上的光子输出接收和传递给设备输出240。这种现象只有在靶光子与检验光子具有相同偏振的条件下才发生。例如，如果输入光子与检验光子都处于图示实施例的H状态，则它们都将通过PBS进行直接传输，并且只有检验光子撞击检测器220。如果输入光子与检验光子都处于图示实施例的V状态，则它们都将被反射，并且只有输入光子撞击检测器220。如果输入光子处于H状态，而检验光子处于V状态，则输入光子将被传输到输出模式214a上，而检验光子将被反射到同一输出模式214a上。无光子在检波输出模式214b上传输，并撞击检测器220。如果输入光子处于V状态，而检验光子处于H状态，则输入光子将被反射到检波输出模式214b上，而检验光子将被传输到同一检波输出模式214b上。两个光子将在检波输出模式214b上进行传输并撞击检测器220。
检测器220必须在0、1和2个光子之间进行区分，而无需指出被检光子的H-V状态。因此，检测器220应该不提供被检光子的H-V状态。
图2B是按照一个实施例表示的量子奇偶检验设备200中所用的偏振敏感光子检测器220的方框图。该检测器具有在0、1和2个光子之间进行区分而无需测量被检光子的H-V状态的预期特性。
偏振敏感检测器220包括F-S PBS222(与图1C中所示的F-S PBS类似)和两个单光子检测器224。本领域内公知的任何单光子检测器都可以用作本图以及后面的附图中的两个单光子检测器中的每一员。为了图示目的，假设单光子检测器输出包括经典比特的信号，该经典比特在没有检测到光子时是0，而在检测到光子时是1。
使F-S PBS222的输入模式校准，以接收检波输出模式214b(在图2A和2B中还被标记为“c”)上的光子输出。在图示实施例中，利用单光子检测器224a(用符号“DCF”表示)，来检测在传输输出模式上由F-S PBS222发射的F偏振光子；而利用单光子检测器224b(用符号“DcS”表示)，来检测在反射输出模式上由F-S PBS222发射的S偏振光子。
因为F偏振光子是H和V偏振的等同叠加，因此诸如，对F偏振光子的测量没有提供有关输入和检验光子的原始H-V状态的信息。F-S PBS220的使用据说可“消除”穿过H-V PBS210的被检光子中的任何H-V信息，且由此保存了由设备200据此操作的光子的相干性。
为了表示量子奇偶检验设备上叠加态的几率效应，为了图示目的，假设输入光子具有由公式3a给出的任意偏振态Ψ，而检验光子具有由公式3b给出的特定态Ψa。虽然此处所提供的理论描述有助于理解这种以及后面的逻辑设备的操作，但是这些实施例并不局限于这些具体的理论描述。
Ψin＝αHin+βVin                                      (3a)
Ψa＝(Ha+Va)/√2                                       (3b)
正如本领域内所公知的，由这两个状态的矢积给出H-V PBS中的总输入状态Ψin，a。由公式3c给出了在传输模式214a(“out”)和检波模式214b(“c”)上来自H-V PBS分束器的两个光子的输出态Ψout，c。
Ψout，c＝(αHoutHc+βVoutVc+αHoutVout+βHcVc)√2      (3c)
最后两项对应于输出态Ψfail，其导致检测器220上有二或零个光子，这些光子在检波后处理器230中被阻塞。公式3d给出了分别用F-S偏振、Fc、Sc表示的在检波模式214b上传输的光子态。
Ψc＝[(αHout+βVout)Fc+(-αHout+βVout)Sc]/2
     +(Ψfail)/√2                                 (3d)
Fc表示，当在检测器DcF224a检测到1AO1光子，而在检测器DcS224b没有检测到光子时，将模式212a上的输入光子(αHin+βHin)的任意偏振，描绘到模式214a(αHout+βVout)中的光子上。这具有1/4的发生几率。Sc表示，当在检测器DcS224b检测到1AO1光子，而在检测器DcF224a没有检测到光子时，将模式212a上的输入光子(αHin+βVin)的任意偏振，描绘到模式214a(-αHout+βVout)中的180°(л弧度)相移光子上。这也具有1/4的发生几率。
按照一个实施例，只有当在检测器DcF224a检测到1个光子，而在检测器DcS224b没有检测到光子时，检波后处理器230才将输出模式214a上的光子传递到设备输出240。该实施例具有1/4的成功几率。按照另一个实施例，除了当在检测器DcF224a检测到1个光子，而在检测器DcS224b没有检测到光子时，将输出模式214a上的光子传递到设备输出240之外，当在检测器DcS224b检测到1个光子，而在检测器DcF224a没有检测到光子时，检波后处理器230还将输出模式214上的光子相移180°，并将相移光子传递到设备输出240。该实施例具有1/2的成功几率。本领域内公知的任何方法都可以用于实施180°的相移。例如，根据检测器DcS224b中光子的检测，可以迅速改变Pockel’s池上的偏压。
应该注意，接受这两个1AO1检测中的任一个，都不会提供任何类型的H-V偏振信息，该信息实质上用来测量输入模式212上的输入光子状态并减小据此操作的光子的相干性。
2.3奇偶检验实验结果
图3是用于指出逻辑设备的各种实施例性能的实验装置300的方框图。该逻辑设备是由右上部的那些部件模拟的，但是沿324a的部件除外(这些部件用于测试逻辑设备的设备输出，如下所述)。剩余部件用于产生同时到达模拟设备的两个光子。
装置300包括相关状态的两个光子的光源304。具有相关状态的光子有时被称作交错光子。可以将指示出检测几率、与交错光子相关的叠加态表达成两个单独叠加态的矢积，每个叠加态与一个不同的光子相关。
正如本领域所公知的，装置300中的光源是II型参数向下变换晶体(BBO)，其可以产生成对的交错光子，其中一个垂直偏振，另一个水平偏振。来自Argon-Ion激光器的351.1nm波长的波束激发此光源。这种光源在以下文献中有所描述：诸如，Y.H Shih and A.V.Sergienko，“Two-photon anti-correlation in aHanbury-Brown-Twiss type experiment，”Physics Letters A，vol.186，p.29，1994(此后称作Shih)以及M.h.RUBIN，D.N.Klyshko，Y.H.Shih，andA.V.Sergienko，“Theory of two-photon entanglement in type-II opticalparametric down-conversion，”Physics Review A，vol.50，p.5122，1994(此后称作Rubin)。
装置300还包括紫外块306和Shih-Sergienko纵向补偿晶体(SS)308。SS308补偿将V偏振光子发射到H偏振光子稍前部的BBO光源特性。有关SS308操作的细节在Shih和Rubin中有所描述。
装置300还包括H-V PBS 310(还称作“PBS1”)，其将成对光子的H偏振光子发射到空间模式312a上，并沿空间模式312b传输H偏振光子。安装在翻译台上的两个半波双折射板P1 316a和P2 316b之一以及两个镜子M1 318a和M2 318b之一在每个空间模式上的光子到达模拟设备之前对其进行调整。利用翻译台上的镜子M1318a和M2 318b将这些空间模式的路径长度调整到相同的尺寸，以便这两个光子同时到达模拟逻辑设备。利用半波双折射板P1 316a和P2 316b将其中任一光子的偏振旋转到其空间模式(有时称作“路径”)上的任何所需取向。
该装置包括第二H-V PBS320(还称作“PBS2”)，其用作所测试的逻辑设备的部件之一。例如，H-V PBS 320用作量子奇偶检验设备200的H-V PBS 210。H-V PBS 320具有两个输出空间模式324a，324b。
装置300包括利用可旋转的偏振分析仪330b(“θ2”)、滤波器340b(“f2”)和单光子检测器350b(“D2”)构建偏振敏感检测器。偏振分析器传递在分析仪方向上偏振的光子，而阻塞在垂直方向上偏振的光子。可旋转的偏振分析仪容易旋转，以改变分析仪的方向。滤波器f2减小了可能泄露到装置300内的杂散光子产生的背景噪声。
该装置包括用于测量光子的一些部件，即利用另一可旋转偏振分析仪330a(“θ1”)、另一滤波器340a(“f1”)和另一单光子检测器350a(“D1”)测量被输出到检波后处理器中的光子。
构建装置300，使之能够模拟量子奇偶检验设备200的一个实施例，在该实施例中，无论何时在单光子检测器DcF224a检测到1个光子，而在单光子检测器DcS224b没有检测到光子，输出都未改变地被接受。如上所述，这具有1/4的发生几率。在这种结构中，将可旋转的偏振分析仪330b相对于H旋转45°，以便在检测器D2 350b上传递和检测仅具有F偏振的光子。在单光子检测器DcF224a检测到1个光子而在单光子检测器DcS224b没有检测到光子的状况对应于在两个检测器D2 350b和D1350a实施光子的重合检测。由于仅有两个入射光子，因此D1 350a和D2 350b中的检测暗示，在检测器DcS中没有检测出具有S偏振的光子。
回到量子奇偶检验设备上，图2C，2D，2E，2F是表示实验结果的附图，这些结果指示出在非叠加态上进行操作的图2A的量子奇偶检验设备的性能。每个图都勾画出两个状态中的每一个在重合计数轴252上的重合计数的数目，所述状态是在轴254上表示的输出模式324a上测量的。轴254上的0表示，分析仪330a的取向可传递H偏振光子；轴254上的1表示，分析仪330a的取向可传递V偏振的光子。这些结果允许量子奇偶检验设备的误差在1％的量级上。
图2C表示分别在空间模式312a，312b上的两个输入光子都是H偏振时的结果。通过定向半波板P1 316a以使V偏振光子变成H偏振光子，可利用装置300获得该图。在实施重合检测的每一次，预期输出是H偏振的光子，即，在旋转分析仪330a以传递H偏振光子时，有大量的重合计数被检测出，而在旋转分析仪330a以传递V偏振光子时，无重合计数被检测出。正如分别从计数262a和264a所看到的，在获得重合计数的每一次，输出模式324a上的光子是H偏振的，且实质上对于V偏振的光子无从获得重合计数。
图2D表示当每对中的空间模式312a上的一个输入光子是H偏振，而空间模式312b上的另一个输入光子是V偏振时的结果。通过定向半波板P1 316a以使V偏振光子变成H偏振光子以及定向半波板P2 316b以使H偏振光子变成V偏振光子，可利用装置300获得该图。无论是否旋转分析仪330a以传递H偏振光子或V偏振光子，预期输出都不是重合计数。正如从计数262b和264b所看到的，几乎没有获得重合计数。然而，计数262b显示，获得了一些重合计数，这代表该实验项目操作中的小误差。
图2E表示当每对中的空间模式312a上的一个输入光子是V偏振，而空间模式312b上的另一个输入光子是H偏振时的结果。通过定向半波板P1 316a和P2 316b以使H偏振光子或V偏振光子不改变，可利用装置300获得该图。无论是否旋转分析仪330a以传递H偏振光子或V偏振光子，预期输出都不是重合计数(如图2D所示)。正如从计数262c和264c所看到的，几乎没有获得重合计数。然而，计数262c表明，获得了一些重合计数，这代表该实验项目操作中的小误差。
图2F表示分别在空间模式312a，312b上的两个输入光子都是H偏振时的结果。通过定向半波板P2 316b以使H偏振光子变成V偏振光子，可利用装置300获得该图。在实施重合检测的每一次，预期输出是V偏振的光子，即，在旋转分析仪330a以传递H偏振光子时，无重合计数被检测出，而在旋转分析仪330a以传递V偏振光子时，有大量的重合计数被检测出。正如分别从计数262b和264b所看到的，在获得重合计数的每一次，输出模式324a上的光子是V偏振的，且实质上对于H偏振的光子无从获得重合计数。
图2G是表示实验结果的附图，这些结果指示出在叠加态上进行操作的图2A的量子奇偶检验设备的性能。关于公式3d如上所述，当公式3b给出检验输入模式上的光子态时，将H-V PBS输入模式上用公式3a表示的任意输入态相应地转移到H-VPBS的输出模式上。公式3b表示相对于H偏振的45°光子偏振。因此，图2G表示的实验结果是基于在装置300的半波板P2 316b上将进入空间模式312b的H偏振光子旋转45°。应该注意，PBS2 320将输入模式312a的H分量传递到输出路径324a中(正如所预期的)。然而，PBS2 320将V分量全部反射到检波输出路径324b中，V分量在此处被单光子检测器D2 350b所消耗。因此，该设备应该用来自检验输入空间模式312b、被反射到输出空间模式324a中并具有√2输入值的垂直分量，来取代公式3b的具有β值的任意V分量。
为了产生图2G中所表示的实验结果，定向半波板P1 316a，以使V偏振光子变成20°偏振的光子。这对应于公式3a中的0.94的α值和0.34的β值。
图2G中的附图勾画出几个取向中的每一个在重合计数速率轴258上每分钟的重合计数的数目，所述取向是在轴256上所表示的输出模式324a上测量的。轴256上的零表示，定向分析仪330a以传递H偏振光子；轴256上的90表示，定向分析仪330a以传递90°偏振的光子(与V偏振光子相同)。所观察的计数速率用具有垂直棒的点来表示，这些垂直棒代表实验误差，诸如观察值272。
预期的结果是，当获得重合计数时，输出光子在输入模式312a上都偏振20°。这些偏振光子应该产生追随正弦平方曲线的观察值，该曲线在20°和200°具有最大的重合计数速率，而在110°和290°具有最小的接近于零的计数速率。正弦平方曲线在经验上配合产生经验配合曲线280的数据。这些结果允许奇偶检验设备具有实验误差。这证实了所执行的奇偶检验设备在叠加态上进行操作时的相干性质。
3.量子破坏受控NOT(CNOT)设备
3.1量子破坏CNOT的结构概述
图4A是按照一个实施例表示的破坏CNOT设备400的方框图。量子CNOT的作用是，如果第二输入即“控制”库比特处于纯1状态，就用来倒装输入“靶”库比特的逻辑值(纯0状态被倒装为纯1状态，而纯1状态被倒装为纯0状态)，如果控制库比特处于纯零状态，就不起作用。例如，如下所述，量子破坏CNOT设备400在控制光子是H偏振的时候就产生具有与靶光子相同状态的输出光子，在控制光子是V偏振的时候就产生具有倒装H和V状态的输出光子。因此没有实现对靶库比特值或控制库比特值的测量。可以推广CNOT的操作，以便施加到叠加态上(如下所述)。破坏CNOT与CNOT具有相同的功能，但却消耗处理过程中的控制光子，因此控制光子不是来自设备的输出的一部分。
破坏CNOT设备400包括F-S PBS410(与图1C中所示的类似)。H-V PBS410具有包括靶输入模式412a(在图4A中还标记为模式“3”)和控制输入模式412b(在图4A中还标记为模式“b”)的输入空间模式412。H-V PBS410具有包括传输输出模式414a(在图4A中还标记为模式“3”)和检波输出模式414b(在图4A中还标记为模式“d”)的输出空间模式414。为了图示目的，假设图4A中所示的空间模式在水平面上(从上面观察)。
破坏CNOT设备400还包括用于检测检波输出模式414b上的许多单光子的偏振敏感检测器420(还标记为“Dd”)。
破坏CNOT设备400还包括具有设备输出440的检波后处理器430。在经典数据线432上，将检测器420中所检测的有关光子的信息传送到检波后处理器430中。检波后处理器430可包括一个或多个经典信息处理部件。传输输出模式414a还进入检波后处理器430，其在此处被阻塞或被变换或未改变地传递到设备输出440中。
3.2量子破坏CNOT的操作
靶光子到达模式412a，而控制光子到达模式412b。假设这两个光子同时到达，即，这两个光子是在一个时段内到达的，该时段比其中任一光子与分束器410相互作用的时段都短。
仅仅对于偏振敏感检测器420接收一个且只有一个(“1AO1”)光子的那些情形，将传输模式414a上的光子输出接受并传递到设备输出440中。
检测器420必须在0、1和2个光子的到达之间进行区分，而无需指示出靶光子和控制光子的H-V状态。然而，由于模式414b上的检波光子处于作为F-S PBS410的结果的F-S基准中，所以这些光子没有提供有关靶光子和控制光子的H-V状态的信息。因此检测器420可提供被检光子的H-V状态。
图4B是按照一个实施例表示的、图4A的量子奇偶检验设备中所用的偏振敏感光子检测器420的方框图。该检测器具有在0、1和2个光子之间进行区分而无需测量靶光子和控制光子的H-V状态的预期特性。
偏振敏感检测器420包括H-V PBS422(与图1B中所示的H-V PBS类似)和两个单光子检测器424。校准H-V PBS422的输入模式，以便将光子输出接收到检波输出模式414b(在图4A和图4B中还标记为“d”)上。在这个图示实施例中，利用单光子检测器424a(用符号“DdH”表示)，来检测在传输输出模式上由H-V PBS422发射的H偏振光子；而利用单光子检测器424b(用符号“DdV”表示)，来检测在反射输出模式上由F-S PBS422发射的V偏振光子。
因为F偏振光子是H和V偏振的等同叠加，所以例如，对F偏振光子的测量没有提供有关靶光子和控制光子的原始H-V状态的信息。F-S PBS410的使用据说，消除了穿过F-S PBS 422的被检光子中的任何H-V信息，并由此保存由设备400据此操作的光子的相干性。
为了表明量子破坏CNOT设备上的叠加态的几率效应，为了图示目的假设，靶光子具有由公式3a给出、且为了简便起见被重复为公式4a的任意偏振态Ψin。检验光子最初被认为是垂直偏振的，且具有由公式4b给出的特定态Ψb。
Ψin＝αHin+βVin                                                 (4a)
Ψb＝Vb                                                           (4b)
正如本领域内所公知的，由这两个状态的矢量矢积给出了F-S PBS中的总输入状态Ψin，b。书写FS基准中的这些状态给出了被表达为公式4c中的矢积(X)的总输入状态。
Ψin，b＝{(α[Fin-Sin]+β[Fin+Sin])√2}×{(Fb+Sb)/√2}            (4c)
公式4d给出了在传输模式414a(“out”)和检波模式414b(“d”)上来自F-S PBS分束器的两个光子的输出态Ψout，d。
Ψout，d＝1/2(α[Fd Fin-Sd Sin]+β[Fd Fin+Sd Sin])+Ψfail2/√2    (4d)
Ψfail2中的状态导致检测器420中具有两个或零个光子，从而使输出光子在检波后处理器430中被阻塞。如果将其书写成H-V偏振的形式，这就变成由公式4e给出的表达式。
Ψout，d＝1/2(Hd[αVout+βHout]+Vd[αHout+βVout])+Ψfail2/√2    (4e)
Hd表示，当在检测器DdH424a检测到1OA1个光子，而在检测器DdV424b没有检测到光子时，将模式412a上的输入光子(αHin+βVin)的任意偏振倒装成模式414a中的光子(αVout+βHout)。这个来自CNOT的预期输入具有1/4的发生几率。Vd表示，当在检测器DdV424b检测到1OA1个光子，而在检测器DdH424a没有检测到光子时，将模式412a上的输入光子(αHin+βVin)的任意偏振直接勾画成模式414a中的光子(αVout+βHout)。这也具有1/4的发生几率。为了将该输出光子转变成预期的倒装光子，涉及到对输出光子进行进一步的操作，诸如将偏振旋转90°，然后施加180°(π弧度)的相移。如果在该情形中输入被如此变换，那么可获得具有1/2几率的预期输出。
为了进一步表明量子破坏CNOT设备上的叠加态的几率效应，为了图示目的假设，靶光子具有由公式4a给出的任意偏振态Ψin(如上所述)，而控制光子是H偏振的，由公式4f给出。
Ψb＝Hb                                                          (4f)
后面的步骤与生成公式4e的那些步骤类似，表明H偏振的控制光子的输出态由公式4g给出。
Ψout，d＝1/2(Hd[αHout+βVout]+Vd[αVout+βHout])+Ψfail3/√2   (4g)
Ψfail3中的状态导致检测器420中具有两个或零个光子，从而使输出光子在检波后处理器430中被阻塞。Hd表示，当在检测器DdH424a检测到1OA1个光子，而在检测器DdV424b没有检测到光子时，将模式412a上的输入光子(αHin+βVin)的任意偏振直接勾画成模式414a中的光子(αVout+βHout)。这个来自CNOT的预期输出具有1/4的发生几率。Vd表示，当在检测器DdV424b检测到10A1个光子，而在检测器DdH424a没有检测到光子时，将模式412a上的输入光子(αHin+βVin)的任意偏振倒装成模式414a中的光子(αVout+βHout)。这也具有1/4的发生几率。为了将该输出光子转变成具有预期的未倒装偏振的光子，涉及到对输出光子进行进一步的操作，诸如将偏振旋转90°，然后施加180°(π弧度)的相移。
按照一个实施例，只有当在检测器DdH424a检测到1个光子，而在检测器DdV424b没有检测到光子时，检波后处理器430才将输出模式414a上的光子传递给设备输出440。该实施例具有1/4的成功几率。按照另一个实施例，除了当在检测器DdH424a检测到1个光子，而在检测器DdV424b没有检测到光子时，将输出模式414a上的光子传递给设备输出440之外，当在检测器DdV424b检测到1个光子，而在检测器DdH424a没有检测到光子时，检波后处理器430还将光子偏振旋转90°，并将输出模式214上的光子相移180°，且将旋转相移光子传递给设备输出440。该实施例具有1/2的成功几率。本领域内公知的任何方法都可用于实施180°的相移和90°的旋转。例如，可以利用半波双折射板来旋转输出模式414a上的光子。
应该注意，接受这两个1AO1检测的任一个都不提供任何类型的H-V偏振信息，该信息实质上用来测量输入模式412上的靶光子和控制光子，并减小据此操作的光子的相干性。
3.3破坏CNOT的实验结果
构建图3中的装置300，使之模拟量子破坏CNOT设备400的一个实施例，其中无论何时在单光子检测器DdH424a检测到1个光子，而在单光子检测器DdV224b没有检测到光子，输出都未改变地被接受。如上所述，这具有1/4的发生几率。
在这种结构中，PBS2 320的基准被认为是F偏振，而H偏振相对于F偏振被旋转-45°。因此，通过将可旋转的偏振分析仪330b旋转-45°，来执行检测器DdH424a。在单光子检测器DdH424a检测到1个光子，而在单光子检测器DdV424b没有检测到光子的状况对应于在检测器D2 350b和D1 350a上实施光子的重合检测。由于只有两个入射光子，因此在D1 350a和D2 350b上实施的检测暗示，在检测器DdV中没有检测到具有V偏振的光子。
图4C，4D，4E，4F是表示实验结果的附图，这些结果指示出在非叠加态上进行操作的图4A的量子破坏CNOT设备的性能。每个图都勾画出两个状态中的每一个在重合计数轴452上的重合计数的数目，所述状态是在轴454上表示的输出模式324a上测量的。轴454上的零表示，使分析仪330a相对于PBS2 320的基准呈-45°定向，以传递H偏振光子；轴454上的1表示，使分析仪330a相对于PBS2 320的基准呈+45°定向，以传递V偏振光子。这些结果允许CNOT设备的误差在18％的量级上。
例如，图4C表示分别在空间模式312a，312b上的两个输入光子(即靶光子和控制光子)都是H偏振时的结果。通过定向半波板P1 316a以使相对于PBS2 320的基准90°偏振的光子变成H偏振(相对于PBS2 320的基准偏振-45°)光子，可利用装置300获得该图。同样，定向半波板P2 316b以使0°偏振的光子变成-45°偏振光子。预期的输出是非倒装输出，即在实施重合检测的每一次，预期输出是H偏振的光子。在将分析仪330a旋转-45°以传递H偏振光子时，这意味着有大量的重合计数，而在将分析仪330a旋转+45°以传递V偏振光子时，这意味着无重合计数。正如分别从计数462a和464a所看到的，当获得82.2％的重合计数时，输出模式324a上的光子是H偏振的(正如所预期的那样)；当获得17.8％的重合计数时，这些光子是V偏振的(这是误差)。
图4D表示当每对中的空间模式312a上的靶光子是H偏振的，而空间模式312b上的控制光子是V偏振时的结果。无论何时有重合计数，预期输出都是靶光子的倒装态即V偏振的。正如分别从计数462b和464b所看到的，当获得82％的重合计数时，输出模式324a上的光子是V偏振的(正如所预期的那样)；当获得18％的重合计数时，这些光子是H偏振的(这是误差)。图4E表示当每对中的空间模式312a上的靶光子是V偏振的，而空间模式312b上的控制光子是H偏振时的结果。无论何时有重合计数，预期输出都是靶光子的倒装态即V偏振的。正如分别从计数462c和464c所看到的，当获得82.7％的重合计数时，输出模式324a上的光子是V偏振的(正如所预期的那样)；当获得17.3％的重合计数时，这些光子是H偏振的(这是误差)。图4F表示当分别在空间模式312a，312b上的输入光子(即靶光子和控制光子)都是V偏振的时候的结果。无论何时有重合计数，预期输出都是靶光子的倒装态即H偏振的。正如分别从计数462d和464d所看到的，当获得86.3％的重合计数时，输出模式324a上的光子是H偏振的(正如所预期的那样)；当获得13.7％的重合计数时，这些光子是V偏振的(这是误差)。
图4C，4D，4E，4F表示的结果是针对所有的输入库比特都是0值或1值的情形。在其它情形中，代表这两个状态的叠加的误差有时远远小于1％。平均误差，在所有可能的输入状态之上时，为大约8％。希望这些误差主要是由于偏振分束器的光学质量造成的，而这些分束器是商业级质量的并具有四分之一波长量级的失真。通过利用偏振分束器和单模式光纤，期望误差速率小得多。
通过输入状态的叠加，可获得与表示在图2G上部的那些结果类似的相关结果。这表明，无需测量输入库比特的状态而执行破坏CNOT的操作，且该操作可用于逻辑设备的量子网络。
4.量子编码器
4.1量子编码器的结构概述
图5是按照一个实施例表示的量子编码器500的方框图。量子编码器的作用是，将一个输入库比特值编码成两个输出空间模式。例如，如下所述，量子编码器500产生两个与输入光子具有相同偏振的输出光子。没有实现对输入库比特值或输出库比特值的测量，从而保存了相干性并将量子的编码与量子的无性繁殖区分开。
量子编码器500将量子奇偶检验设备200与两个交错光子的光源550结合起来。多个交错光子具有不能被表达成单独光子单独状态的矢积的状态。交错光子的这些状态是相关的，因此不是独立的。正如以上参照图2A所述的，奇偶检验设备200包括H-V PBS 210，H-V PBS 210具有被引导到偏振敏感检测器Dc 220的输出空间模式214b和被引导到检波后处理器230的输出空间模式214a。来自量子奇偶检验设备的设备输出240用作量子编码器500的第一设备输出540a。
来自光源500的一个光子用作与输入模式212b(在图5中还标记为“a”)校准的量子奇偶检验设备200的检验光子。将来自光源500的另一个光子发射到空间模式552(在图5中还标记为“b”)上。
编码器500还包括具有第二设备输出540b的另一检波后处理器530。在经典数据线532上，将有关检测器220上所检测的光子的信息发送到检波后处理器530中。检波后处理器530可包括一个或多个经典信息处理部件。光源输出模式552上的来自光源550的第二个光子也进入检波后处理器530，在此处其可以被阻塞或被变换或未改变地传递到第二设备输出540b中。
4.2量子编码器的操作
在这个图示实施例中，以下公式给出了由光源550发射的这两个光子的交错状态Φa，b：
Φa，b＝(HaHb+VaVb)/√2                                          (5a)
利用来自光源550的光子的这个交错态，以及公式3a中给出的任意偏振输入态，可表明，检测器Dc 220对1AO1光子的成功检测选择出公式5b中给出的变转换ψ编码器。
ψ编码器＝αHaHb+βVaVb                                          (5b)
公式5b表明，在两个设备输出540a，540b上输出两个交错光子，其中每个光子具有分别对应于H和V状态的α和β波幅。当量子编码器的操作发生于量子奇偶检验中时，其具有1/2的成功几率。
5.量子继电器
5.1量子继电器的结构概述
图6A是按照一个实施例表示的量子继电器600的方框图。量子继电器的作用是，输出与库比特通讯通道上的输入库比特状态相同的库比特，如果量子非破坏(QND)测量证实实际上已经输入库比特的话。例如，如下所示，量子继电器600输出与输入光子具有相同偏振态的光子，如果输入光子实际上已经被接收到模式212a上的话。没有实现对输入库比特或输出库比特的H-V状态的测量，从而保存了库比特的相干性。将量子继电器与量子中继器区分开，这是因为量子继电器无需对光子进行长时间的交错纯化或储存。
量子继电器600将量子编码器500与第二偏振敏感检测器D2 620以及检波后处理器630中的附加检波后操作结合起来。检波后处理器630包括编码器500的检波后处理器230，530的操作。
正如以上参照图5所述的那样，量子编码器500包括H-V PBS 210，H-V PBS 210具有被引导到偏振敏感检测器Dc 220的输出空间模式214b，和输出空间模式214a。量子编码器500还包括两个交错光子的光源550。在被输入到H-V PBS 210的空间模式212b(在图5和图6A中还标记为“a”)上，输出来自光源500的一个光子。将来自光源550的另一个交错光子发射到空间模式552(在图5和图6中还标记为“b”)上。将有关检测器Dc 220上所检测的光子的信息，通过经典数据线232发送到检波后处理器230中，通过数据线532发送到检波后处理器530中。在图6A中，数据线232和532由连接到后处理器630上的线632来表示。
此外，量子继电器600将输出模式214a引导到第二偏振敏感检测器D2 620中。量子继电器600包括将有关检测器D2 620上所检测的光子的信息(一般为一个或多个经典比特)传递到检波后处理器630中的线632b。
检波后处理器630可包括一个或多个经典信息处理部件。光源输出模式552上的来自光源550的第二个光子也进入检波后处理器630，在此处其可以被阻塞或被变换或未改变地传递到继电器设备输出640中。虽然量子继电器600的这个图示实施例表明，通过镜子664将输出模式552引导到检波后处理器630内，但是在其它实施例中可以省略镜子664。在图示实施例中，检波后处理器还输出经典门信号642。门信号642上的经典比特，在光子已经被接收到输入模式212a上时具有1值，在光子还没有接收到输入模式212a上时具有0值。
图6B是按照一个实施例表示的、图6A的量子继电器中所用的偏振敏感光子检测器620的方框图。该检测器具有在0、1和2个光子之间进行区分而无需测量被测光子的H-V状态的预期特性。偏振敏感检测器620包括F-S PBS 622(与图1C中所示的F-S PBS类似)和两个单光子检测器624。校准F-S PBS 222的输入模式，以便将光子输出接收到输出模式214a(在图6A和图6B中还标记为“2”)上。在这个图示实施例中，利用单光子检测器624b(用符号“D2F”表示)，来检测由F-S PBS 622在传输输出模式上发射的F偏振光子；而利用单光子检测器624a(用符号“D2S”表示)，来检测由F-S PBS 622在反射输出模式上发射的S偏振光子。
5.2量子继电器的操作
通过在输出路径214a(在图6A中还标记为“2”)上添加第二偏振敏感检测器D2 620，而将量子编码器转换成量子非破坏(QND)测量设备。对于具有公式3a给出的任意状态的空间模式212a上的输入光子，如果在检测器220，620上检测到1AO1光子，那么用符号ψb，c，2表示的系统的投影态(不包括在任一检测器上导致0或2个光子被检测的状态)可由公式6给出。
ψb，c，2＝1/2(αHb[F2Fc+S2Fc+F2Sc+S2Sc]+βVb[F2Fc-S2Fc-F2Sc+S2Sc]      (6)
其中“b”代表输出空间模式552上的光子。公式6表明，如果检波后处理器630经过仅包括DF 2和DcF(F2和Fc)或仅包括D2 S和DcF(S2和Fc)的检测，并使用于仅包括D2 S和DcF(S2和Fc)或仅包括D2 F和DcS(F2和Sc)检测的β信号反转，设备输出640就能够产生αH+βH的预期状态。量子继电器600对只有当输入光子存在时产生经典信号的意识中的输入光子实施几率QND测量，而不影响输入光子的偏振态。量子继电器具有1/2的成功几率。
通过当输入模式212a中无光子存在时考虑该设备，可理解将第二检测器620置于输出模式214a上而不是置于输出模式552上的效用。在该情形中，不能达到用于这两个检测器的接合1AO1状况，因为仅仅检测器210，620之一接收模式212b(还标记为模式“a”)上的附属光子输出。如果将第二检测器620移到输出模式552，那么该设备甚至当输出模式212a中不存在光子时，也满足来自这两个附属光子的两个检测器上的1AO1光子状况。
可以合并来自检测器220，620的经典信号，以提供经典门信号642，例如，当在两个检测器上检测到1AO1光子时具有1值、否则具有0值的比特。
5.3量子继电器在量子密码术中的应用
可将量子继电器施加到量子通讯系统中，例如用于量子密码术。目前利用光纤的最大范围的量子密码术系统局限于衰减(信息承载光子在穿过光纤传播时的损耗)和黑计数(一种形式的检测器噪声，在该噪声中当没有信息承载光子撞击到检测器上时，检测器就给出指示检测的信号)的组合。密码信息处理(例如误差校正和保密放大)在信息承载光子的数目可与检测器的黑计数相比时变得越来越无效，且密码系统的有效量迅速向零下降。
利用量子中继器可扩大该范围。优选的是，用量子继电器而不是用量子中继器扩大该范围，因为量子继电器无需实施量子中继器所需的诸如对光子进行长时间的交错纯化和储存这些难以执行的步骤。衰减依然发生，但是利用QND测量抑制了黑计数的效应。这增大了信号噪声比并增大了密码处理的效率。通过贯穿光纤通讯通道最佳分配量子继电器，检测器噪声的撞击可以忽略。
图6C是按照一个实施例表示的量子继电器系统600的方框图。发射器680产生一系列光子682b，其中每一个光子具有特定的偏振，该偏振指示出在光纤上传输到接收器690中的库比特值。例如，在光子682a上编码一个库比特的加密信息，以便传输到接收器690中，在接收器690中翻译该库比特，以生成一库比特或多个经典比特的平面文本信息。沿光纤设置一组一个或多个量子继电器；例如，在图示实施例中，沿将发射器680与接收器690连接起来的光纤分布量子继电器670a，670b，670c(一起被当作量子继电器670)。
每个继电器670执行QND测量，以确定光子是否被接收在其输入模式上，或者光子是否已经在通过光纤到达那一点的传输中丢失。如果在传输线中的一些点之外没有检测到光子，就利用经典门信号来忽略该事件并且不接受来自接收器690中的检测器的任何输出。
例如，如果量子继电器670a检测光子输出模式上的光子，该继电器就将其门信号672a设置到1值以表明至该点的成功传输，并输出与光子682A具有相同偏振态信息的光子682b。同样，如果量子继电器670b，670c在光子的输入模式上检测这些光子，这些继电器就将其门信号672b，672c分别设置到1值以表明至该部位的成功传输，并分别输出光子682c，682d。当接收器690检测光子，同时将门信号672c的值设置到1时，接收器690接受作为库比特承载光子的光子，并处理被检库比特值。
如果，例如，量子继电器670b在光子的输入模式上没有检测到光子，那么就将其门信号672b设置到0值以表明此时没有接收到库比特承载光子。将这个门信号传输到量子继电器670c，从而又将0值转换成门信号762c。基于门信号672c的值，接收器690被证实此时没有获得库比特承载光子。即使接收器690中的检测器此时产生黑计数，也可忽略计数。在接收器690中这具有抑制黑计数的效应，从而减小了噪声并增大了噪声信号。结果，增大了量子处理技术(例如量子密码处理过程中的误差校正和保密放大)的效果。
可利用任何方法将在量子继电器接收的门信号转换成由量子继电器输出的门信号。例如，可以将门信号输入施加到包括经典逻辑操作的检波后处理器630中，这些逻辑操作除了需要来自检测器220，620的1AO1检测之外，还需要从另一量子继电器接收的门信号，以便具有1值。
重要的是，包括量子继电器670自身中的检测器黑计数效应和库比特承载光子的几率检测。由这些继电器产生的任何寄生光子在通过光纤传播时都将被衰减。只要继电器670距离接收器690足够远，衰减就导致来自这些寄生光子的收益比接收器690中的黑计数小得多。而且，与几率QND测量相关的1/2损耗分数比误差校正和保密放大(发生在无量子继电器670提供的黑计数抑制的条件下)中的失效小得多。
6.量子非破坏CNOT设备
6.1量子CNOT的结构概述
图7是按照一个实施例表示的量子非破坏CNOT700的方框图。如上所述，用于偏振光子的量子CNOT的作用是，当控制光子是H偏振的时候产生与靶光子具有相同状态的输出光子，当控制光子是V偏振的时候产生具有倒装H和V状态的输出光子。可推广CNOT的操作，以便施加到控制光子的叠加态中(如上所述)。该CNOT与上述的破坏CNOT执行相同的功能，但不消耗处理过程中的控制光子；这样，该量子CNOT能够输出与控制光子具有相同偏振态的光子。
CNOT 700将量子编码器500a的一个实施例与破坏CNOT400结合起来，以产生两个设备输出740a，740b。利用模式5552上的编码器设备输出之一来输出用作破坏CNOT400的控制输入的光子。当编码器成功的时候，利用编码器的另一个设备输出，将模式212a上的控制输入光子的状态传播到第一CNOT输出740a中。第二编码器740基于控制光子的状态，承载与输入模式412a上的靶光子具有相同状态或具有倒装H-V状态的光子。这样，两个输出740a，740b分别传递控制光子的信息以及靶光子的倒装或非倒装状态。
正如以上参照图5所述的，量子编码器500将量子奇偶检验设备200与两个交错光子的光源550结合起来。正如以上参照图2A所述的，奇偶检验设备200包括H-V PBS210，其具有指向偏振敏感检测器Dc 220的输出空间模式214b和指向检波后处理器230的输出空间模式214b。在数据线232上，将有关检测器220中所检测的光子的信息传递到检波后处理器230中。在图示的实施例中，CNOT检波后处理器730a包括量子奇偶检验设备检波后处理器230。来自量子奇偶检验设备的设备输出240用作量子编码器500的第一设备输出540a，而540a又用作CNOT700的第一设备输出740a。
来自光源550的一个光子用作与输入模式212b(在图7中还标记为“a”)校准的量子奇偶检验设备200的检验光子。将来自光源550的另一个光子发射到空间模式552(在图5中还标记为“b”)上，在此处其变成破坏CNOT400的控制光子。
编码器500还包括具有第二设备输出540b的另一个检波后处理器530。在经典数据线532上，将有关在检测器220中测得的光子的信息传送给检波后处理器530。该检波后处理器可包括一个或多个经典信息处理部件。来自光源输出模式552上的光源550的第二光子也进入检波后处理器530，在该处理器中，其可以被阻塞或被变换或未改变地传输给第二设备输出540b。在图示实施例中，检波后处理器730a或730b或二者中的操作替代编码器500的实施例500a的检波后处理器530中执行的操作。
正如以上参照图4所述的，破坏CNOT400包括F-S PBS 410(与图1C中所示的类似)。F-S PBS 410具有包括靶输入模式412a(在图7中还标记为模式“3”)和控制输入模式412b(在图7中还标记为模式“b”)的输入空间模式412。F-S PBS 410具有包括传输输出模式414a(在图7中还标记为模式“3”)和检波输出模式414b(在图7中还标记为模式“d”)的输出空间模式414。破坏CNOT400还包括用于检测检波输出模式414b上的许多单光子的偏振敏感检测器420(还标记为“Dd”)。破坏CNOT400还包括具有设备输出440的检波后处理器430。在通讯线432上将有关检测器420中检测的光子的信息传送到检波后处理器430中。该检波后处理器430可包括一个或多个经典信息处理部件。传输输出模式414a也进入检波后处理器430，在该处理器中，其可以被阻塞或被变换或未改变地传输给设备输出440。在图示实施例中，CNOT检波后处理器730b包括破坏CNOT检波后处理器430。来自破坏CNOT的设备输出440b用作CNOT700的第二设备输出740b。
在图示实施例中，通过数据线732将有关编码器中检测的光子的信息传送到检波后处理器730b中。在其它实施例中，诸如在编码器中包括检波后处理器530的实施例中，可以省略数据线732。
6.2量子CNOT的操作
由于量子奇偶检验设备200和破坏CNOT400各自具有1/2的成功几率，因此CNOT700具有1/4的成功几率。
通过考虑分别用于输入模式2’(212a)和3’(412a)上的控制光子和靶光子的任意输入态(用Ψ2’3’表示)(由公式7a给出)，可解释CNOT的操作。
Ψ2’3’＝α1H2’H3’+α2H2’V3’+α3V2’H3’+α4V2’V3’     (7a)
由公式7b给出总状态Ψt。
Ψt＝Ψ2’3’×Φa，b                                         (7b)
其中Φa，b是来自光源550的交错光子的状态.因此表明，总状态Ψt在TCNOT700之下演变成由公式7b给出的最后的总状态ΨT。
ΨT＝1/4{FcHd[α1H2H3+α2H2V3+α3V2V3+α4V2H3]
        +ScHd[-α1H2H3-α2H2V3+α3V2V3+α4V2H3]
        +FcVd[α1H2V3+α2H2H3+α3V2H3+α4V2V3]
        +ScVd[-α1H2V3-α2H2H3+α3V2H3+α4V2V3]}
        +1/2Ψfail4√3                                        (7c)
其中Ψfail4是在每个偏振敏感检测器Dc220，Dc420中没有产生1AO1光子的所有波幅的归一化集合。
当在DcF224a中检测到1AO1光子，以及在DdH224a检测到1AO1光子时，就获得波形括号内的四项中的第一项，并且该项给出具有1/6成功几率的在公式7a的输入态上进行的预期CNOT传输。这对应于量子奇偶检验设备200和破坏CNOT400的被动成功状况。波形括号内的四项中的后三项出现于每个Dc220和Dc420中检测的1A01光子的不同集合中，并需要上述量子奇偶检验设备和破坏CNOT中所用的经典受控单光子操作的不同适当结合，这些操作可在检波后处理器730a或730b或二者中执行。然后合并这四项，以便具有1/4的总几率。
波形括号内的第二项对应于DcS224b中的检测，该检测根据使H2的波幅反转的输出模式214a(还标记为“2”)上的180°相移，应该触发偏振。波形括号内的第三项对应于DdV224b中的检测，该检测应该触发输出模式414a(还标记为“3”)中的光子上的状态倒装，从而使H3和V3的波幅交换。波形括号内的第三项对应于这些检测，并因此触发这些单光子操作。
没有获得对靶库比特或控制库比特的H-V状态的测量，从而在该CNOT设备的操作过程中保存了库比特的相于性。
7.四个交错光子的光源
需要4交错光子光源的CNOT设备已经在以下文献中有所描述：D.Gottesman andI.Chuang，Nature，vol.402，p.390，1999(此后称作GC)。可利用上述的只采用2交错光子光源的CNOT设备700，来生成所需的4交错光子光源。图8是按照一个实施例表示的四个交错光子的光源800的方框图。
光源800包括非破坏CNOT700和两个交错光子的两个附加光源850a，8560b。两个交错光子的每个附加光源850a，850b具有两个输出空间模式。光源850a具有第一输出空间模式840a(在图8中还标记为“1”)以及与CNOT700的控制输入模式212a校准的第二输出空间模式(在图8中还标记为“2”)。光源850b具有第一输出空间模式840b(在图8中还标记为“4”)以及与CNOT700的靶输入模式412a校准的第二输出空间模式(在图8中还标记为“3”)。光源800的四个输出模式其次包括光源850a的输出模式840a、光源850b的输出模式840b、CNOT700的控制输出模式740a(在图8中还标记为“2”)以及CNOT700的输出模式740b(在图8中还标记为“3”)。该光源产生四个具有特定性质的交错光子的几率为1/4。
对于用于GCCNOT的特定交错光子状态，每个光源850a，8560b产生处于公式8给出的交错状态中的两个光子。
Φi，j＝(HiHj+ViVj)/√2                                          (8)
其中i，j＝1，2’或3’，4
通过给予具有集合态(也称作“Bell状态”)的2交错光子的可靠光源，平均只需要四次尝试，以产生四个交错光子的特定状态。在这种意义上，CNOT700提供了制备后面用于Knill项目执行中的状态的加速光源。
8.另一量子非破坏CNOT设备
图9是按照另一个实施例表示的利用四个交错光子的量子CNOT900的方框图。该项目与GC CNOT类似，但不同的是，在检测器220a，220b，620a，620b中包括F-S PBSs(如下所述)。F-S PBSs消除了被检光子中的H-V信息，并确保由CNOT900据此操作的光子的相干性。没有实现对控制库比特值或靶库比特值的测量。
具有4交错光子光源的GC CNOT比具有2交错光子光源的CNOT700具有一些计算上的优点。例如，GC CNOT在四个附属光子上的可靠性克服了与不良光源和光子损耗有关的某些问题。而且，Knill业已描述了这样一个处理过程：在该过程中，利用更复杂的线性光学技术，可将与GC CNOT类似的草案中所需的库比特的成功几率任意增大到接近于1。这使得4交错光子光源成几率地产生。光源800恰恰是这种四个交错光子的几率光源。
8.1另一量子CNOT的结构概述
另一CNOT900包括图8的四个交错光子的光源800(在图9中还标记为x)，以及两个H-V PBSs910，920。H-V PBS 910具有两个输入空间模式，即控制输入模式912a(在图9中还标记为“A”)以及与光源800的输出模式840a(在图9和图8中还标记为“1”)校准的第二输入空间模式。H-V PBS 910具有两个输出空间模式，即指向检测器Dq 620a的输出空间模式914a(在图9中还标记为“q”)以及指向检测器Dp 220a的输出空间模式914b(在图9中还标记为“p”)。数据线932a将有关检测器Dp 220a中检测的光子的信息承载到检波后处理器930a中；以及，数据线932b将有关检测器Dq 620a中检测的光子的信息承载到检波后处理器930a中。使光源800的输出模式740a(在图9和图8中还标记为“2”)指向检波后处理器930a。基于在数据线932a或932b或二者之上接收的经典数据，模式740A上的光子状态被阻塞或被转变或未改变地传递到检波后处理器930a的第一设备输出940a中。
H-V PBS 920具有两个输入空间模式，即靶输入空间模式922a(在图9中还标记为“B”)以及与光源800的输出模式840b(在图9和图8中还标记为“4”)校准的第二输入空间模式。H-V PBS 920具有两个输出空间模式，即指向检测器Dn 620b的输出空间模式924a(在图9中还标记为“n”)以及指向检测器Dm 220b的输出空间模式924b(在图9中还标记为“m”)。数据线932d将有关检测器Dm 220b中检测的光子的信息承载到检波后处理器930b中；以及，数据线932c将有关检测器Dn 620b中检测的光子的信息承载到检波后处理器930b中。使光源800的输出模式740b(在图9和图8中还标记为“3”)指向检波后处理器930b。基于在数据线932c或932d或二者之上接收的经典数据，模式740b上的光子状态被阻塞或被变换或未改变地传递到检波后处理器930b的第二设备输出940b中。
按照图示实施例，检测器Dp 220a和Dm 220b是以上参照图2B所述的F-S偏振敏感检测器，而检测器Dq 620a和Dn 620b是以上参照图6B所述的F-S偏振敏感检测器。F-S偏振敏感检测器中的F-S PBSs消除了被检光子中的H-V信息，并确保由CNOT900据此操作的光子的相干性。没有实现对控制库比特值或靶库比特值的测量。
8.2另一量子CNOT的操作
对于任意输入光子A和B(分别为控制光子和靶光子)，由公式9a给出输入的状态ΨA，B。
ΨA，B＝(α1HAHB+α2HAVB+α3VAHB+α4VAVB)                         (9a)
其中α1、α2、α3和α4的平方和为1。由公式9b给出模式“2”740a和“3”740b上的所需输出态Ψ2，3。
Ψ2，3＝(α1H2H3+α2H2V3+α3V2V3+α4V2H3)                         (9b)
如果交错光源800具有公式9c给出的状态x，那么当所需输出在模式“2”740a和“3”740b上时，就满足了在每个检测器Dp220a、Dq620a、Dm220b、Dn620b检测1AO1光子的状况。
x＝1/2(H1H4H2H3+H1V42H2V3+V1H4VAV3+V1V4V2H3)                      (9c)
这是由以上所述的光源800产生的状态。
在GC CNOT中，这四个检测器220a、620a、220b、620b不是F-S偏振敏感检测器，并且只确定是否检测到一个光子；而模式740a，740b上的输出被阻塞，除非每个检测器只检测到一个光子。然而，有可能使模式740a，740b上的输出光子的偏振与模式m924b，n924a，p914b，q914a上的光子的偏振进行交错(即，相关)。任何这样的交错都导致比公式9b中所示的更复杂的最后状态Ψ2，3。通过认为这样的交错可使检测器提供有关控制和靶库比特状态的信息，并因此减小了设备的相干性，来理解这一点。按照图示实施例900，消除了此交错信息，因为四个检测器220a、620a、220b、620b的每一个都测量F-S基准中的光子偏振。如上所述，诸如，由于F偏振光子是H和V偏振光子的等同叠加，从而测量没有提供有关库比特的原始值的信息，因此能够证实这种消除。
利用这四个F-S偏振敏感检测器，该替代型CNOT900具有1/4的成功几率，如果光源800提供四个处于公式9c给出的状态x中的光子的话。
9.扩展和替代
在前面的说明书中，业已参照具体的实施例对本发明进行了描述。然而，显而易见的是，可以作出各种改进和变型而不脱离本发明的广阔精髓和范围。因此，认为说明书和附图是为了解释说明的目的，而不具有限定意义。

Claims (37)

1、一种利用单光子的量子偏振态的逻辑设备，包括：
第一偏振分束器，所述分束器具有用于第一组正交偏振的多个第一输入空间模式和多个第一输出空间模式；
第二偏振分束器，所述分束器具有用于不同于第一组的第二组正交偏振的一个第二输入空间模式和多个第二输出空间模式，所述第二输入空间模式与所述多个第一输出空间模式的第一检波输出空间模式校准；
多个第一单光子检测器，沿所述多个第二输出空间模式中的不同模式设置每个单光子检测器；以及，
部分基于由多个第一单光子检测器检测到的大量光子，来承载输出光子的第一设备输出，
其中用于特定组正交偏振的偏振分束器，传输到达在一个输出空间模式上具有特定组的一个偏振的特定输入空间模式上的光子，并且还传输到达在一个不同输出空间模式上具有特定组的一个不同偏振的特定输入空间模式上的光子。
2、如权利要求1所述的逻辑设备，其特征在于，在第一设备输出上承载的光子进一步基于被传输到多个第一输出空间模式的传输输出空间模式上的光子，所述的传输输出空间模式不同于检波输出空间模式。
3、如权利要求1所述的逻辑设备，其特征在于，相应于在多个第一输入空间模式的每个输入空间模式上接收单光子，只有在多个第一单光子检测器检测的光子数等于1时，所述第一设备输出才承载光子。
4、如权利要求3所述的逻辑设备，其特征在于，第一设备输出承载的光子表明，在多个第一输入空间模式上接收的单光子具有类似的偏振态。
5、如权利要求3所述的逻辑设备，其特征在于，第一设备输出承载的光子表明，在多个第一输入空间模式上接收的单光子具有不相类似的偏振态。
6、如权利要求4所述的逻辑设备，其特征在于，第一设备输出承载的光子具有与多个第一输入空间模式上接收的单光子相同的偏振态，因此所述逻辑设备是量子奇偶检验设备。
7、如权利要求1所述的逻辑设备，其特征在于，使第二组正交偏振相对于第一组正交偏振旋转45°。
8、如权利要求7所述的逻辑设备，其特征在于，当在多个第一单光子检测器的第一检测器中检测到单光子时，多个第一输出空间模式的传输输出空间模式上的光子被引导到第一设备输出中，所述传输输出空间模式不同于所述检波输出空间模式。
9、如权利要求8所述的逻辑设备，其特征在于，
所述设备还包括相移器，所述相移器使第一组正交偏振的一个偏振的叠加波幅反转；以及
当在多个第一单光子检测器的不同于第一检测器的第二检测器上检测到单光子时，将所述传输输出空间模式上的光子引导到相移器的输入中，而将相移器的输出引导到第一设备输出中。
10、如权利要求3所述的逻辑设备，其特征在于，第一设备输出承载的光子具有输出偏振态和倒装靶偏振态，从而所述设备是受控非(CNOT)门，所述输出偏振态是多个第一输入模式的靶输入模式上接收的靶光子的靶偏振态之一，在所述倒装偏振态中，基于相对于多个第一输入模式的控制输入模式上接收的第二组控制光子，交换相对于第二组正交偏振的靶偏振态的波幅，所述的控制输入模式不同于所述的靶输入模式。
11、如权利要求10所述的逻辑设备，其特征在于，与控制光子具有相同偏振态的光子不从所述设备中输出，从而所述逻辑设备是消耗控制光子的CNOT门。
12、如权利要求10所述的逻辑设备，其特征在于，将第一组正交偏振相对于第二组正交偏振旋转45°。
13、如权利要求10所述的逻辑设备，其特征在于，如果控制光子具有与第一组正交偏振的第一偏振校准的偏振态，那么就将控制光子传输到检波输出空间模式上。
14、如权利要求10所述的逻辑设备，其特征在于，当在多个第一单光子检测器的第一检测器中检测到单光子时，就将多个第一输出空间模式的传输输出空间模式上的光子引导到第一设备输出中，所述传输输出空间模式不同于所述检波输出空间模式。
15、如权利要求14所述的逻辑设备，其特征在于，
所述设备还包括决定性地变换光子状态的经典变换部件；以及
当在多个第一单光子检测器的不同于第一检测器的第二检测器上检测到单光子时，将所述传输输出空间模式上的光子引导到经典变换部件的输入中，而将经典变换部件的输出引导到第一设备输出中。
16、如权利要求15所述的逻辑设备，其特征在于，所述经典变换部件包括：偏振旋转部件；以及
相移器，所述相移器使第二组正交偏振的一个偏振的叠加波幅反转。
17、如权利要求1所述的逻辑设备，其特征在于，
所述逻辑设备还包括具有相关偏振的两个交错光子的光源，所述的交错光子被引导到两个相应的光源空间模式上；以及
将所述光源空间模式的第一光源模式引导到第一偏振分束器的多个第一输入空间模式的第一输入模式中。
18、如权利要求17所述的逻辑设备，其特征在于，还包括：
第三偏振分束器，所述分束器具有用于第二组正交偏振的一个第三输入空间模式和多个第三输出空间模式，所述第三输入空间模式与所述多个第一输出空间模式的第二检波输出空间模式校准，所述第二检波输出空间模式不同于所述的检波输出空间模式；以及
多个第二单光子检测器，沿所述多个第三输出空间模式之一设置第二多个单光子检测器中的每个单光子检测器。
19、如权利要求18所述的逻辑设备，其特征在于，相应于在多个第一输入空间模式的第二输入空间模式上接收单光子，只有在多个第一单光子检测器检测的光子数等于1，且多个第二单光子检测器检测的光子数也等于1时，所述第一设备输出才承载光子，所述第二输入空间模式不同于所述第一输入模式。
20、如权利要求19所述的逻辑设备，其特征在于，第一设备输出承载的光子与第二输入模式上接收的单光子具有相同的偏振态，因此所述的逻辑设备用作量子继电器。
21、如权利要求20所述的逻辑设备，其特征在于，还包括经典输出信号，所述信号指示出何时多个第一单光子检测器检测的光子数等于1，且多个第二单光子检测器检测的光子数也等于1。
22、如权利要求21所述的逻辑设备，其特征在于，将所述设备设置在光学通讯通道上，所述通道在由单光子的量子偏振态表示的库比特发射器与所述库比特接收器之间。
23、如权利要求22所述的逻辑设备，其特征在于，当所述经典输出信号指示出多个第一单光子检测器检测的光子数不等于1，或者多个第二单光子检测器检测的光子数不等于1时，所述接收器贴现被测的库比特。
24、如权利要求17所述的逻辑设备，其特征在于：
所述逻辑设备还包括不同于第一设备输出的第二设备输出；以及
第二设备输出上承载的光子是基于光源空间模式的一个不同第二光源模式上承载的光子。
25、如权利要求24所述的逻辑设备，其特征在于，相应于在多个第一输入空间模式的不同于第一输入模式的第二输入空间模式上接收单光子：
只有当多个单光子检测器检测的光子数等于1时，第一设备输出才承载光子；以及
只有当多个单光子检测器检测的光子数等于1时，第二设备输出才承载光子。
26、如权利要求25所述的逻辑设备，其特征在于，第二设备输出承载的光子和第一设备输出承载的光子与第二输入模式上接收的单光子具有相同的偏振态，因此所述逻辑设备是量子编码器。
27、如权利要求24所述的逻辑设备，其特征在于，将第二组正交偏振相对于第一组正交偏振旋转45°。
28、如权利要求17所述的逻辑设备，其特征在于，还包括：
第三偏振分束器，所述分束器具有用于第二组正交偏振的多个第二输入空间模式和多个第三输出空间模式，所述多个第三输入空间模式的第三输入空间模式与两个光源空间模式的第二光源模式校准，所述第二光源模式不同于所述的第一光源空间模式；
第四偏振分束器，所述分束器具有用于第一组正交偏振的一个第四输入空间模式和多个第四输出空间模式，所述第四输入空间模式与多个第三输出空间模式的第二检波输出空间模式校准；以及
多个第二单光子检测器，沿多个第四输出空间模式之一设置多个第二单光子检测器中的每个单光子检测器。
29、如权利要求28所述的逻辑设备，其特征在于，相应于在第三偏振分束器的多个第二输入空间模式的靶输入模式上接收单靶光子，只有当多个第二单光子检测器检测的光子数等于1时，第二设备输出才承载光子，所述靶输入模式不同于第三输入模式。
30、如权利要求29所述的逻辑设备，其特征在于，相应于在多个第一输入空间模式的控制输入模式上接收单控制光子，只有当多个第一单光子检测器检测的光子数等于1时，第一设备输出才承载光子，所述控制输入模式不同于第一输入模式。
31、如权利要求30所述的逻辑设备，其特征在于，第二设备输出承载的光子具有输出偏振态和倒装靶偏振态，从而所述设备是受控非(CNOT)门，所述输出偏振态是靶光子的靶偏振态之一，在所述倒装偏振态中，基于相对于第一组的控制光子的偏振态，交换相对于第一组正交偏振的靶偏振态的波幅。
32、如权利要求31所述的逻辑设备，其特征在于，第一设备输出承载的光子与控制光子具有相同的偏振态，从而所述逻辑设备是不消耗控制光子的CNOT门。
33、如权利要求28所述的逻辑设备，其特征在于，将第二组正交偏振相对于第一组正交偏振旋转45°。
34、如权利要求28所述的逻辑设备，其特征在于：
所述逻辑设备还包括具有相关偏振态的两个交错光子的多个附加光源，每个附加光源将两个交错光子引导到两个相应的附加光源的空间模式上；
将多个附加光源的第一附加光源的第一附加光源模式引导到第一偏振分束器的多个第一输入空间模式的控制输入模式中，所述控制输入模式不同于第一输入模式；以及
将多个附加光源的一个不同第二附加光源的第二附加光源模式引导到第三偏振分束器的多个第二输入空间模式的靶输入空间模式中。
35、如权利要求34所述的逻辑设备，其特征在于：
所述逻辑设备还包括部分基于多个第二光子检测器检测的光子数承载光子的第二设备输出；以及
多个单光子具有相关的偏振态，所述多个单光子由第一设备输出、第二设备输出和第一附加光源的不同于第一附加光源模式的第三附加光源模式以及第二附加光源的不同于第三附加光源模式的第四附加光源模式承载。
36、一种在单光子的量子偏振态上执行逻辑操作的方法，包括以下步骤：
将多个第一输入空间模式传送到用于第一组正交偏振的第一偏振分束器内，以产生多个第一输出空间模式；
将多个第一输出空间模式的第一检波输出空间模式传送到用于不同于
第一组的第二组正交偏振的第二偏振分束器内，以产生多个第二输出空间模式；
将多个第二输出空间模式传到多个第一单光子器内，将每个输出空间模式传送到相应的单光子检测器内；以及
产生第一设备输出，该设备输出基于多个第一单光子检测器检测的光子数承载输出光子，
其中用于特定组正交偏振的偏振分束器，传输到达在一个输出空间模式上具有特定组的一个偏振的特定输入空间模式上的光子，并且还传输到达在一个不同输出空间模式上具有特定组的一个不同偏振的特定输入空间模式上的光子。
37、一种利用单光子的量子偏振态的逻辑设备的制造方法，包括：
将用于第一组正交偏振的第一偏振分束器的多个第一输出空间模式的第一检波输出空间模式，连接到用于不同于第一组的第二组正交偏振的第二偏振分束器的第二输入模式上，第一偏振分束器具有多个第一输入空间模式，第二偏振分束器具有第二多个输出空间模式；
将多个单光子检测器连接到多个第二输出空间模式上，每个单光子检测器沿多个第二输出空间模式之一进行设置，且具有用于承载检测信号的检测输出；以及
将多个第一输出空间模式的传输输出空间模式以及来自多个单光子检测器的检测输出连接到这样的部件上：该部件部分基于多个单光子检测器检测的光子数，在设备输出空间模式上产生输出光子，所述传输输出空间模式不同于所述检波输出空间模式，
其中用于特定组正交偏振的偏振分束器，传输到达在一个输出空间模式上具有特定组的一个偏振的特定输入空间模式上的光子，并且还传输到达在一个不同输出空间模式上具有特定组的一个不同偏振的特定输入空间模式上的光子。
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