一种光量子态双向可控远程制备系统的制作方法

本发明涉及量子通信技术领域，具体为一种光量子态双向可控远程制备系统。

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。

从当前的量子信息传输方式来看，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效率较为低下，而目前只能采用单向传输的原因是难以找到适当的量子纠缠信道以及如何设置相应的线性光学元件来完成光量子态双向可控远程制备中的单光子操作，所以导致了现行的基于线性光学元件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，因此在现有的量子操控技术上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。而在当前的量子通信学术领域，关于光量子计算方法的研究也很多，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，通常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，因此目前通信行业内亟需一种新型的光量子态制备系统来实现光量子的双向可控远程传输，以提高远程量子通信效率。

技术实现要素：

针对上述的问题，本发明一种光量子态双向可控远程制备系统，通过科学合理设置光路中的线性光学元件构成发送模块、接收模块和控制模块。通过控制模块控制，协议要求发送方往接收方传输粒子量子态，同时发送方也作为接收方接收对方传输过来的粒子量子态，形成一种在非最大纠缠信道下基于线性光学元件的任意光量子态双向可控远程制备系统。由于在本系统中量子信息为双向同时传输，因此制备光量子态的效率更高，从而显著提高了远程量子通信的效率，有效解决了上述问题。

本发明采用的技术方案是：

一种光量子态双向可控远程制备系统，其特征在于：包括第一量子纠缠态调制模块、第二量子纠缠态调制模块和第三量子纠缠态调制模块，所述第一量子纠缠态调制模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与第一量子态测量模块的第一信号输入端、第二信号输入端连接，所述第一量子态测量模块信号输出端与第一相位翻转门第一信号输入端连接，所述第二量子纠缠态调制模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与第二量子态测量模块的第一信号输入端、第二信号输入端连接，所述第二量子态测量模块信号输出端与第二相位翻转门的第二信号输入端连接，所述第三量子纠缠态调制模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与第三量子态测量模块的第一信号输入端、第二信号输入端连接，所述第三量子态测量模块信号输出端一路与第一相位翻转门第二信号输入端连接，所述第三量子态测量模块信号输出端的另一路与第二相位翻转门的第三信号输入端连接，所述第一相位翻转门信号输出端用于与第一信号接收装置信号输入端连接，所述第二相位翻转门信号输出端用于与第二信号接收装置信号输入端连接；

所述第一量子纠缠态调制模块信号输入端、第二相位翻转门的第一信号输入端、第三量子纠缠态调制模块信号输入端、第一相位翻转门的第三信号输入端、第二量子纠缠态调制模块信号输入端依次用于与第一至第五信号输出端连接。

第一量子纠缠态调制模块、第二量子纠缠态调制模块和第三量子纠缠态调制模块负责调制光子纠缠态，量子态测量模块对调制后的光子执行x基测量或z基测量。外部信号源提供五光子纠缠态，光子1为第一发送光子，光子2为第一接收光子，光子3为控制粒子，用于控制量子态输出，光子4第二接收粒子，光子5为第二发送粒子。光子1经第一量子纠缠态调制模块调制、第一量子态测量模块执行x基测量后将x基测量结果传输至第一相位翻转门，光子5经第二量子纠缠态调制模块调制、第二量子态测量模块执行x基测量后将x基测量结果传输至第二相位翻转门，光子3经第三量子纠缠态调制模块调制、第三量子态测量模块执行x基测量后将x基测量结果分别传输至第一相位翻转门和第二相位翻转门，光子2塌缩到与第二相位翻转门所接收的x基测量结果相对应的状态，光子4塌缩到与第一相位翻转门所接收的x基测量结果相对应的状态，最后第二相位翻转门依据所接收到的x基测量结果与光子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，即将第二发送粒子光子5的状态赋予第一接收粒子光子2；第一相位翻转门依据所接收到的x基测量结果与光子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，即将第一发送粒子光子1的状态赋予第二接收粒子光子4，从而完成所需的任意两个双向传输光子的量子态制备。

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操作装置，所述两个相同的量子测量操作装置分别第一量子测量操作装置、第二量子测量操作装置，所述阿达马门h信号输出端与所述第一个量子测量操作装置信号输入端连接。

与阿达马门连接的第一量子测量操作装置用于执行光子x基测量，第二量子测量操作装置用于执行光粒子z基测量，因此第一量子态测量模块对光粒子1执行x基测量和z基测量，并通过经典信道将x基测量结果传输至第一相位翻转门，第二量子态测量模块对光粒子5执行x基测量和z基测量，并通过经典信道将x基测量结果传输至第二相位翻转门，第三量子态测量模块对光粒子3执行x基测量和z基测量，并通过经典信道将x基测量结果分别传输至第一相位翻转门、第二相位翻转门。

进一步的，所述第一量子纠缠态调制模块包括第一极化分束器pbs1和第二极化分束器pbs2且两者为水平设置，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，在所述光路a0上设置有第一玻片，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信号输入端与第一信号输出端连接，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第一量子测量操作装置g1信号输入端连接，所述第一量子测量操作装置g1信号输出端与第一相位翻转门z^t1’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第二量子测量操作装置g1’信号输入端连接构成光路a1’。

进一步的，所述第二量子纠缠态调制模块包括第三极化分束器pbs3和第四极化分束器pbs4且两者为水平设置，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，在所述光路b0上设置有第二玻片，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信号输入端与第五信号输出端连接，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第一量子测量操作装置g2信号输入端连接，所述第一量子测量操作装置g2信号输出端与第二相位翻转门z^t2’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操作装置g2’信号输入端连接。

进一步的，所述第三量子纠缠态调制模块包括第五极化分束器pbs5和第六极化分束器pbs6且两者为水平设置，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，在所述光路c1上设置有第三玻片，所述第五极化分束器pbs5信号输入端与第三信号输出端连接，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第一量子测量操作装置g3信号输入端连接，所述第一量子测量操作装置g3信号输出端一路与第一相位翻转门z^t1’的第二信号输入端连接，所述第一量子测量操作装置g3信号输出端另一路与第二相位翻转门z^t2’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第二量子测量操作装置g3’信号输入端连接构成光路c1’。

所述第一极化分束器pbs1对光子1纠缠态进行分束并通过设置在光路a0的第一玻片将光路a0的光子极化状态旋转角度，所述第三极化分束器pbs3对光子5纠缠态进行分束并通过设置在光路b0的第二玻片将光路b0的光子极化状态旋转角度，所述第五极化分束器pbs5对光粒子3纠缠态进行分束并通过设置在光路c1的第三玻片将光路c1的光子极化状态旋转角度，对光粒子1、光粒子5、光粒子3执行旋转操作后，五光子纠缠态转化为相应状态；所述光子1经第二极化分束器pbs2后形成光路a0’和光路a1’，所述光子5经第四极化分束器pbs4形成光路b0’和光路b1’，所述光子3经第六极化分束器pbs6形成光路c0’和光路c1’，若光子1、光子5、光子3不在光路a0’、b0’、c0’上，则五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，则五光子纠缠态转化为相应状态，接下来第一量子态测量模块对光子1执行x基测量并将测量结果t1通过经典信道传输至第一相位翻转门z^t1’，第二量子态测量模块对光子5执行x基测量并将测量结果t2通过经典信道传输至第二相位翻转门z^t2’,第三量子态测量模块对光子3执行x基测量并将测量结果t3通过经典信道分别传输至第一相位翻转门z^t1’和第二相位翻转门z^t2’。执行完x基测量后，第一相位翻转门z^t1’接收到测量结果t1和测量结果t3，则所述光子4纠缠态经第一相位翻转门z^t1’后塌缩成与x基测量结果（t1+t3）相应的状态，用表示，第二相位翻转门z^t2’接收到测量结果t2和测量结果t3，则所述光子2纠缠态经第二相位翻转门z^t2’后塌缩成与x基测量结果（t2+t3）相应的状态，用表示，最后第一相位翻转门z^t1’依据x基测量结果（t1+t3）与光子4状态的对应关系，对光子4执行相应的局域幺正操作，同时第二相位翻转门z^t2’依据x基测量结果（t2+t3）与光子2状态的对应关系，对光子2执行相应的局域幺正操作，完成光子2和光子4的局域幺正操作后即制成所需的光子量子态。

进一步的，所述连接的线路包括无线传输连接线路和光纤连接线路；当连接的两个光学元件之间的传输距离大于等于1km时采用光纤连接线路；当连接的两个光学元件之间的传输距离小于1km时采用无线传输连接线路。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果：

本发明一种光量子态双向可控远程制备系统，通过科学合理设置光路中的线性光学元件构成发送模块、接收模块和控制模块。在控制模块控制下，通过执行相应的单光子操作，发送模块作为发送方往接收模块传输光粒子量子态，同时发送模块本身也作为接收方接收对方传输过来的光粒子量子态，而接收模块除了接收对方传输过来的光粒子外也作为发送方向对方发送光粒子量子态，从而形成一种在非最大纠缠信道下基于线性光学元件的任意光量子态双向可控远程制备系统，实现了光量子态的双向远程传输，与现有的单向传输技术相比，本发明具有远程制备光量子态效率更高，有效提高了远程量子通信效率等优点，同时本系统由常见的线性光学元件组成，因此具有结构简单、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1一种光量子态双向可控远程制备系统结构框图；

图2一种光量子态双向可控远程制备系统结构图；

图3第一量子纠缠态调制模块结构图；

图4第二量子纠缠态调制模块结构图；

图5第三量子纠缠态调制模块结构图；

图6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，一种光量子态双向可控远程制备系统，包括第一量子纠缠态调制模块、第二量子纠缠态调制模块和第三量子纠缠态调制模块，所述第一量子纠缠态调制模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与第一量子态测量模块的第一信号输入端、第二信号输入端连接，所述第一量子态测量模块信号输出端与第一相位翻转门第一信号输入端连接，所述第二量子纠缠态调制模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与第二量子态测量模块的第一信号输入端、第二信号输入端连接，所述第二量子态测量模块信号输出端与第二相位翻转门的第二信号输入端连接，所述第三量子纠缠态调制模块的第一信号输出端、第二信号输出端分别与第三量子态测量模块的第一信号输入端、第二信号输入端连接，所述第三量子态测量模块信号输出端一路与第一相位翻转门第二信号输入端连接，所述第三量子态测量模块信号输出端的另一路与第二相位翻转门的第三信号输入端连接，所述第一相位翻转门信号输出端与第一信号接收装置信号输入端连接，所述第二相位翻转门信号输出端与第二信号接收装置信号输入端连接，所述第一量子纠缠态调制模块信号输入端、第二相位翻转门的第一信号输入端、第三量子纠缠态调制模块信号输入端、第一相位翻转门的第三信号输入端、第二量子纠缠态调制模块信号输入端依次与外部信号源的第一至第五信号输出端连接；

如图6所示，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操作装置，所述两个相同的量子测量操作装置分别第一量子测量操作装置、第二量子测量操作装置，所述阿达马门h信号输出端与所述第一个量子测量操作装置信号输入端连接；

如图2和图3所示，所述第一量子纠缠态调制模块包括第一极化分束器pbs1和第二极化分束器pbs2且两者为水平设置，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，在所述光路a0上设置有第一玻片，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，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第一量子测量操作装置g1信号输入端连接，所述第一量子测量操作装置g1信号输出端与第一相位翻转门z^t1’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第二量子测量操作装置g1’信号输入端连接构成光路a1’；

如图2和图4所示，所述第二量子纠缠态调制模块包括第三极化分束器pbs3和第四极化分束器pbs4且两者为水平设置，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，在所述光路b0上设置有第二玻片，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，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第一量子测量操作装置g2信号输入端连接，所述第一量子测量操作装置g2信号输出端与第二相位翻转门z^t2’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第二量子测量操作装置g2’信号输入端连接；

如图2和图5所示，所述第三量子纠缠态调制模块包括第五极化分束器pbs5和第六极化分束器pbs6且两者为水平设置，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，在所述光路c1上设置有第三玻片，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，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第一量子测量操作装置g3信号输入端连接，所述第一量子测量操作装置g3信号输出端一路与第一相位翻转门z^t1’的第二信号输入端连接，所述第一量子测量操作装置g3信号输出端另一路与第二相位翻转门z^t2’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第二量子测量操作装置g3’信号输入端连接构成光路c1’；

所述连接的线路包括无线传输连接线路和光纤连接线路，当连接的两个光学元件之间的传输距离大于等于1km时采用光纤连接线路，当连接的两个光学元件之间的传输距离小于1km时采用无线传输连接线路。

本实施例中，第一信号接收装置和第二信号接收装置均为量子态存储器。本发明的工作过程如下：

第一步：已知需要制备的可实现双向传输的任意2个光子比特态为和

，所述、，其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：、；

第二步：信号源提供5光子纠缠态

，其中

，，，5光子分别为第一发送光子1、第一接收光子2、控制光子3、第二接收光子4和第二发送光子5；

第三步：第一极化分束器pbs1对第一发送光子1分束，并通过设置在光路a0

的第一玻片将光路a0的光子极化状态旋转角度：

，其中、；

第四步：第三极化分束器pbs3对第二发送光子5分束，并通过设置在光路b0的第二玻片玻片对光路b0的光子极化状态旋转角度：

，其中、；

第四步：第五极化分束器pbs5对控制光子3分束，并通过设置在光路c1的第三玻片对光路c1的光子极化状态旋转角度：

，其中，；

第五步：对光子1、光子3、光子5执行旋转操作后，5光子纠缠态转化为相应状态，

，

其中a0、a1代表光子1经过第一极化分束器pbs1分束后光子所在的两条不同光路，b0、b1代表光子5经过第三极化分束器pbs3分束后光子所在的两条不同光路，c0、c1代表光子3经过第五极化分束器pbs5分束后光子所在的两条不同光路；

第六步：从5光子叠加态中分离出所需要的光量子态，即光子1经第二极化分束器pbs2、光子5经第四极化分束器pbs4、光子3经第六极化分束器pbs6后，5光子纠缠信道转化为相应状态，

，

其中a0’、a1’代表光子1经过第二极化分束器pbs2后光子所在的两条不同光路，b0’、b1’代表光子5经过第四极化分束器pbs4后光子所在的两条不同光路，c0’、c1’代表光子3经过第六极化分束器pbs6后光子所在的两条不同光路，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分别在光路a0’、光路b0’、光路c0’时，则5光子纠缠信道转化为对应状态；

第七步：当光子1在光路a0’时，第一量子态测量模块对光子1执行x基测量得到测量结果t1，当光子5在光路b0’时，第二量子态测量模块对光子5执行x基测量得到测量结果t2，当光子3在光路c0’时，第三量子态测量模块对光子3执行x基测量得到测量结果t3，所述x基测量为、，所述t1=0或1、t2=0或1、t3=0或1，执行x基测量后，光子2状态塌缩到与测量结果（t2+t3）相应的状态，表示为，式中，光子4状态塌缩到与测量结果（t1+t3）相应的状态，表示为，式中，光子2和光子4处于对应状态：；

第八步：第一相位翻转门依据测量结果（t1+t3）与光子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，其中为泡利操作，第二相位翻转门依据测量结果（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。

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。