一种连续变量量子态的标定方法及其装置

本发明涉及量子计算的，具体地说，本发明涉及一种连续变量量子态的标定方法及其装置。

背景技术：

1、在现有技术中，对连续变量量子源(例如光源)的标定普遍采用量子态层析法[1]，即利用零差探测技术，在给定被测信号与本地谐振子的相对相位时，可以实现对相空间中连续变量量子态三维概率分布函数(一般指wigner函数)某个特定角度的横截面的重构。随后不断改变被测信号与本地谐振子的相对相位，即可实现对整个概率分布函数的重构。总结来说，这种方法需要用到零差探测技术，其探测器为光电探测器，可以实现对连续变量量子态概率分布函数的重构而非密度矩阵的重构。利用光子数分辨探测器能够直接获得的是连续变量量子源的密度矩阵对角元信息，此外文献[2]提出了一种基于hanbury-brown-twiss的基于量子干涉的方法，其中仅仅用到若干阈值探测器阵列以尝试估计无穷维密度矩阵对角元信息。然而，利用光子数分辨探测器来直接获取连续变量量子源的密度矩阵对角元信息的代价是光子数分辨探测器过高的成本以及光子数计量较难提升的准确度。同时，上述现有技术也未给出在对连续变量量子源的标定中对其密度矩阵(是一个无穷维矩阵)信息，尤其是其非对角元信息，而密度矩阵在较多应用场景中是相当有用的，因此需要一种能够在标定中给出或者指示连续变量量子源密度矩阵且又具有成本优势的连续变量量子源标定装置以及方法。

2、参考文献：

3、[1]leonhardt u.measuring the quantum state of light[m].cambridgeuniversity press,1997.

4、[2]kumazawa m,sasaki t,koashi m.rigorous characterization method forphoton-number statistics[j].optics express,2019,27(4):5297-5313.

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的第一方面提供一种连续变量量子态的标定装置，所述标定装置包括：第一分束器、具有相同结构的两个阈值探测模块和计算模块，其中

2、所述第一分束器具有两个输入端和两个输出端，所述第一分束器从所述两个输入端接收具有连续变量量子态的形式的入射光和已知相干光，所述第一分束器将两者干涉并分束后的光束从所述两个输出端输出，

3、每个阈值探测模块具有至少两级级联配置的多个第二分束器和多个阈值探测器，其中所述第二分束器用于将输入的光束分束为两束，所述级联配置包括使得上一级的一个所述第二分束器的输出端连接到下一级的两个所述第二分束器的输入端，以及使得末一级的所述第二分束器所输出的光束被所述多个阈值探测器中的相应一个所接收，其中所述阈值探测器用于区分所接收光束包括0个光子或至少1个光子并输出相应探测值，以及

4、所述计算模块配置为根据所述探测值的统计数据计算所述从第一分束器的所述两个输出端所输出的光束的光子数分布的上下界，并根据所述光子数分布的上下界设定对应的优化问题以标定与所述连续变量量子态的密度矩阵相关的性质。

5、优选的，所述标定装置中，根据所述探测值的统计数据，所述光子数分布的上下界根据以下公式确定：

6、

7、

8、其中上标3和4分别对应所述第一分束器的两个输出端，d3和d4分别表示与之相应的阈值探测模块的阈值探测器数量。

9、优选的，所述标定装置中，根据所述光子数分布的上下界设定对应的优化问题包括：

10、将所述连续变量量子态的密度矩阵的前n维子矩阵作为待标定目标，

11、根据所述前n维子矩阵确定光子数截断值n，

12、计算获得所述光子数截断值n截断下的光子数分布的上下界，并根据以下关于所述连续变量量子态的密度矩阵与光子数分布的线性方程组设定对应的优化问题以标定所述前n维子矩阵的矩阵元的上下界：

13、

14、其中

15、

16、以及其中ρij为所述矩阵元，上标3和4分别对应所述第一分束器的两个输出端，其相应光子数由m和n分别表示，以及α和α*由所述已知相干光确定。

17、优选的，所述标定装置中，所述根据所述上下界标定与所述连续变量量子态的密度矩阵相关的性质包括：

18、将所述密度矩阵相关的性质归类为凸优化问题或凹优化问题；

19、将获得的所述光子数分布的上下界作为所述凸优化问题或凹优化问题的约束条件，计算获得所述性质的最大值或最小值，以及

20、其中所述密度矩阵相关的性质包括所述连续变量量子态的保真度、纠缠度和/或者相干度。

21、优选的，所述标定装置中，当所述密度矩阵相关的性质经判断被确定为是凸的，则相应设定凸优化问题的目标函数为f(ρ)，其中ρ是光子数截断后的密度矩阵，其需要满足ρ≥0，tr(ρ)≤1，以及

22、以所述光子数分布的上下界为约束求解所述目标函数f(ρ)的最小值。

23、优选的，所述标定装置中，通过增加所述阈值探测器的数量和/或光子数截断数来提高所述光子数分布的上下界的计算准确度。

24、本发明的第二方面提供了一种连续变量量子态的标定方法，包括：

25、将待标定光源ρ与一束已知的相干光|α>进行干涉并形成分束的输出光束；

26、通过级联配置的多个分束器对所述分束的输出光束进行多次分束并形成相应数量的多个输出子光束，在单次测量中检测多个输出子光束是否检测到光子，并将对应信号输出；

27、根据重复多次的所述测量的统计数据确定所述分束的输出光束的光子数分布的上下界；

28、根据所述光子数分布的上下界设定对应的优化问题以标定与所述连续变量量子态的密度矩阵相关的性质。

29、优选的，所述标定方法中，还包括：

30、根据所述连续变量量子态的密度矩阵的前n维子矩阵确定光子数截断值n；

31、所述分束的输出光束的光子数分布的上下界为：

32、

33、以及

34、

35、其中用于表示输出端103出现光子数m和输出端104出现光子数n的联合概率，m和n的数值由m+n≤n约束。

36、优选的，所述标定方法中，所述根据所述上下界标定与所述连续变量量子态的密度矩阵相关的性质包括：

37、将所述密度矩阵相关的性质归类为凸优化问题或凹优化问题；

38、将获得的所述光子数分布的上下界作为所述凸优化问题或凹优化问题的约束条件，计算获得所述性质的最大值或最小值，以及

39、其中所述密度矩阵相关的性质包括所述连续变量量子态的密度矩阵的矩阵元、保真度、纠缠度和/或相干度。

40、本发明的第三方面提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行本发明的第二方面任一项所述的方法。

41、本技术所描述的方法及其装置在标定连续量子态的与密度矩阵(尤其是其非对角元矩阵元)相关的性质时，根据阈值探测模块所探测信号的统计信息来获取或者标定所述性质的合理范围，以此间接标定了该与密度矩阵相关的性质。由此，本技术所述的这一方法及装置在标定密度矩阵相关的性质时省去了对昂贵且复杂的光子探测器的使用，使得系统更具有成本优势的同时还能保证计算的精度，同时系统的耐用性增加。