一种实现弱测量的装置的制作方法

本申请涉及量子信息通信技术领域，尤其涉及一种实现弱测量的装置。

背景技术：

近年来，量子信息技术蓬勃发展。相比于传统的信息技术，量子信息技术在运算速度、度量精度、通信安全等方面都体现出质的提升。量子信息技术基于量子力学基本原理，利用了量子叠加性、量子不可克隆定则、量子纠缠等量子特性进行信息处理。

在众多的应用情况下，量子信息处理的关键步骤在于对量子态的测量。例如，在量子密钥分发技术中，进行通信的接收端需要对发送端所发送的量子态进行测量。目前，大部分量子信息处理技术中所采用的测量为强测量。强测量的特点在于：在对量子态进行测量时，如果测量时所选择的基矢与待测量子态所编码的基矢不匹配，则该测量操作将导致被测量的量子态的坍塌。这样一来，坍塌后的量子态将会丢失初始态的大部分信息，甚至丢失所有信息。因此，被测量后的量子态将无法再进行后续的量子信息处理和信息提取。

例如，在典型的BB84量子密钥分发协议中，假设测量时所选择的基矢Z＝{|0>，|1>}，而待测量子态被编码为当使用基矢Z来测量该量子态时，该被测量子态将以1/2的概率坍塌到|0>或者|1>。由于测量时所选择的基矢与待测量子态所编码的基矢不匹配，因此该部分的测量数据将会被直接丢弃，同时该被测量之后的量子态也将因为失去了原始量子态的编码信息而遭到丢弃，无法再用于后续的量子信息处理和信息提取。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种实现弱测量的装置，从而使得被测量后的量子态依然保留初始态的大部分信息，因而可以进行后续的量子信息处理。

本实用新型的技术方案具体是这样实现的：

一种实现弱测量的装置，该装置包括：第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一反射镜和第二反射镜；

所述第一半波片用于将入射的光信号中的光子的偏振度向预设的第一方向偏转预设的第一角度，并将偏转后的光信号输出至第一偏振分束器；

所述第一偏振分束器的第一输出端与第一反射镜连接，第二输出端与第二偏振分束器的第一输入端连接；所述第一偏振分束器用于将所接收的光信号根据偏振方向分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至第一反射镜和第二偏振分束器的第一输入端；

所述第一反射镜将接收到的光信号反射到第二反射镜；

所述第二反射镜将接收到的光信号反射到第二偏振分束器的第二输入端；

所述第二偏振分束器，用于将通过两个光路接收到的光信号合束后输出至第二半波片；

所述第二半波片用于将入射光信号中的光子的偏振度向所述第一方向的反方向偏转预设的第一角度，并将偏转后的光信号输出至后续的探测器。

较佳的，在第一反射镜和第二反射镜之间设置一个石英晶体；

所述第一反射镜将接收到的光信号反射到所述石英晶体，并穿过所述石英晶体到达第二反射镜。

较佳的，所述后续的探测器，用于探测接收到的光信号中的光子的到达时间。

如上可见，在本实用新型中的实现弱测量的装置中，当待测系统的量子态编码于光信号中的光子的偏振自由度上时，使用了两个半波片对光子的偏振度进行了预设角度的偏转，并通过两个不同的光路引入了光子的时间自由度作为辅助系统，通过两个光路之间的光程差来调整待测系统和辅助系统的有效相互作用强度，最后通过后续的探测器探测光子的到达时间来进行测量，从而实现了对光子偏振态的弱测量。

与现有技术中的传统的完整测量(可称之为强测量)相比，在对待测量子态进行本实用新型中的弱测量时，即便是在测量基矢与量子信息的编码基矢不匹配的情况下，该弱测量也仅会对待测量子态产生微小的扰动。因此，完成弱测量之后的量子态依然保留初始态的大部分信息，从而可以进行后续的量子信息处理和测量。此外，本实用新型中所提出的实现弱测量的装置结构简单，易于实现，成本较低。

附图说明

图1为本实用新型的一个具体实施例中的实现弱测量的装置的结构示意图。

图2为本实用新型的另一个具体实施例中的实现弱测量的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型的一个具体实施例中的实现弱测量的装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例中的实现弱测量的装置包括：第一半波片11、第二半波片16、第一偏振分束器12、第二偏振分束器13、第一反射镜14和第二反射镜15；

所述第一半波片11用于将入射的光信号中的光子的偏振度向预设的第一方向偏转预设的第一角度，并将偏转后的光信号输出至第一偏振分束器12；

所述第一偏振分束器12的第一输出端与第一反射镜14连接，第二输出端与第二偏振分束器13的第一输入端连接；所述第一偏振分束器12用于将所接收的光信号根据偏振方向分成两束光信号分别通过两个不同的光路输出至第一反射镜14和第二偏振分束器13的第一输入端；

所述第一反射镜14将接收到的光信号反射到第二反射镜15；

所述第二反射镜15将接收到的光信号反射到第二偏振分束器13的第二输入端；

所述第二偏振分束器13，用于将通过两个光路接收到的光信号合束后输出至第二半波片16；

所述第二半波片16用于将入射光信号中的光子的偏振度向所述第一方向的反方向偏转预设的第一角度，并将偏转后的光信号输出至后续的探测器17。

当上述偏转后的光信号输出至后续的探测器17时，该探测器17即可探测接收到的光信号中的光子的到达时间，并得到相应的探测结果。

在上述的实现弱测量的装置中，待测量子态编码于光信号中的光子的偏振自由度上。当光信号射入第一半波片时，第一半波片将光信号中的光子的偏振度向预设的第一方向偏转预设的第一角度，使得光子的偏振度不再是水平方向、垂直方向、45°或135°方向，而是在水平方向、垂直方向、45°或135°方向的基础上偏转了一个角度(例如，偏转了10°、15°或20°等等)；此时，如果使用Z基矢(直测量基)或X基矢(斜测量基)对偏转后的光子进行测量，就相当于进行了一个不完整的测量，即该测量是一种弱测量。随后，偏转后的光信号被第一偏振分束器分为两束光信号分别通过两个不同的光路输出至第二偏振分束器的两个输入端。其中，通过两个反射镜到达第二偏振分束器的第二输入端的光路可称为第一光路，从第一偏振分束器直接到达第二偏振分束器的第一输入端的光路可称为第二光路。如图1所示，第一光路的光程比第二光路的光程长，光程差为ΔL。因此，两束光信号到达第二偏振分束器的时间并不相同。第二偏振分束器将通过两个光路接收到的光信号合束后输出至第二半波片。第二半波片将光信号中的光子的偏振度向预设的第一方向的反方向偏转预设的第一角度(与第一半波片相比，相当于进行一个反向偏转操作)，即如果第一半波片将光子的偏振度向左(向右)偏转了α度，则此时第二半波片将光子的偏振度向右(向左)偏转α度，从而将光子的偏振度偏转回原来的角度(例如，水平方向、垂直方向、45°或135°方向)。然后，可以偏转后的光信号将输出至后续的探测器(例如，图1和图2中所示虚框内的探测器；当然，也可以是其它形式的探测器)，然后该后续的探测器即可对接收到的光信号中的光子的到达时间进行探测后，得到相应的探测结果，从而实现弱测量。

在上述的实现弱测量的装置中，待测量子态编码于光信号中的光子的偏振自由度上。因此，在本实用新型的技术方案中，相当于在对待测量子态进行测量时，引入了一个测量算符A(即两个半波片)，并使用了一个辅助系统(第一光路和第二光路)，而该辅助系统为光子的时间自由度。

假设待测系统的量子态为辅助系统M的初始态为|φ>，则待测系统和辅助系统的联合量子态为选择哈密顿量其中，A为待测物理量(例如，光子的偏振自由度等)，B为辅助系统的物理量(例如，光子的时间自由度等)，x为待测系统和辅助系统的相互作用强度。在该哈密顿量H作用下，待测系统和辅助系统的联合演化可以表示为：

U(Δt)＝e^-iΔtH，

其中，Δt为相互作用时间。

定义有效相互作用强度λ＝xΔt，该有效相互作用强度可以用于量化测量的强弱程度。例如，图1中的有效相互作用强度λ可由第一光路和第二光路之间的光程差ΔL来确定，该光程差ΔL的大小即体现了光子的时间自由度。在图1中，该光程差ΔL可以通过调整两个反射镜之间的距离来进行调整。在本实用新型的技术方案中，λ＜＜1，因此本实用新型中的测量为弱测量。而当λ＝1时，则该测量操作为现有技术中的完整测量。

系统在哈密顿量H下演化时间Δt后，系统的量子态变为：

其中，I为单位算子。

接下来，可以通过后续的探测器对光信号中的光子的到达时间进行探测，即对辅助系统做基矢为{|i>}的测量，对应的测量结果i的待测系统的量子态为：

其中，

因此可知，被测量子态在被测量之后，并未发生完全的坍塌。所以，本实用新型中的对光子的测量并不是现有技术中通常所采用的对光子的偏振态的完整的测量，而是通过探测光子的到达时间来对光子的偏振态进行的一种弱测量。

另外，进一步的，如图2所示，在本实用新型的一个较佳的具体实施例中，还可以在第一反射镜14和第二反射镜15之间设置一个石英晶体18；所述第一反射镜14将接收到的光信号反射到所述石英晶体18，并穿过所述石英晶体18到达第二反射镜15。

通过调节该石英晶体的折射率(例如，调节该石英晶体的温度等参数来调节该石英晶体的折射率)，可以对第一光路和第二光路之间的光程差ΔL进行微调，进而可以对有效相互作用强度λ的大小进行微调(粗调可以通过调整两个反射镜之间的距离来进行)，从而可以对本实用新型的中的弱测量的测量强度进行更为有效的调节。

综上所述，在本实用新型的技术方案中，当待测系统的量子态编码于光信号中的光子的偏振自由度上时，使用了两个半波片对光子的偏振度进行了预设角度的偏转，并通过两个不同的光路引入了光子的时间自由度作为辅助系统，通过两个光路之间的光程差来调整待测系统和辅助系统的有效相互作用强度，最后通过后续的探测器探测光子的到达时间来进行测量，从而实现了对光子偏振态的弱测量。

与现有技术中的传统的完整测量(可称之为强测量)相比，在对待测量子态进行本实用新型中的弱测量时，即便是在测量基矢与量子信息的编码基矢不匹配的情况下，该弱测量也仅会对待测量子态产生微小的扰动。因此，完成弱测量之后的量子态依然保留初始态的大部分信息，从而可以进行后续的量子信息处理和测量。此外，本实用新型中所提出的实现弱测量的装置结构简单，易于实现，成本较低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。