本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子纠缠验证系统及方法。
背景技术：
随着量子信息技术的快速发展以及应用，操控小规模的量子状态已经成为可能。在现有技术中的经典状态中，信息一般编码在经典比特上，例如，经典编码方式一般是0和1。而量子的信息编码则是使用量子的叠加形式，例如，量子叠加态a|0＞+b|1＞。这种量子的叠加形式在经典物理中是不存在的。利用这种叠加的方式，可以对量子信息进行操控，从而实现经典无法完成的任务，例如量子通讯和量子计算等。
对于一个量子过程，一般需要制备多个系统的量子态。对于多个量子系统，系统之间往往存在着量子纠缠。在大多数的量子协议中，例如量子通讯和量子计算中的很多协议，量子纠缠起到了关键性的作用。因此，如何验证一个量子态是否纠缠是决定量子协议是否成功的关键。所以，验证量子纠缠成为了一般量子协议的首要验证步骤。
然而，在现有技术中的一般的纠缠验证方法中，需要假设测量是完美的。但是在实际过程中，往往由于仪器的不完美性，导致测量并不完美，进而可能错误地判断量子态纠缠的状态。对于一个没有纠缠的量子态，如果纠缠验证成为有纠缠，那么纠缠验证的步骤就发生了错误。在实际过程中，由于仪器的不完美往往会导致这样的错误是不可避免的。因此可知，在实际应用过程中，现有技术中已有的纠缠验证方法可能会由于实验仪器的不完美而存在一定的漏洞。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种量子纠缠验证系统及方法，因此在对多个待测量子系统之间的纠缠进行测量和纠缠验证时，可以保证最终得到的纠缠验证结果不依赖于测量设备的完美性，从而保证了纠缠验证结果的可靠性。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种量子纠缠验证系统，该系统包括：n个待测量子系统、n个测试装置和纠缠验证装置；其中，n为大于或等于2的整数；
所述n个待测量子系统与n个测试装置一一对应连接；
每个测试装置中包括：随机数生成器、制备器和联合测量器；
所述随机数生成器，用于产生一个随机数并发送给制备器；
所述制备器，用于根据所接收的随机数制备对应的量子态并发送给联合测量器；
所述联合测量器，用于对所接收的量子态以及对应的待测量子系统的量子态进行联合测量，并得到对应的测量结果；将所属测试装置制备的量子态和测量结果发送给纠缠验证装置；
所述纠缠验证装置，用于根据各个测试装置制备的各个量子态以及各个测量结果，得到所有测试装置的联合概率分布；根据所述联合概率分布设置一个多自由度参数，并对该多自由度参数进行优化，得到优化后的多自由度参数；根据所述联合概率分布和优化后的多自由度参数，计算得到所述n个待测量子系统的量子态的优化后的纠缠验证结果。
较佳的，所述纠缠验证装置还进一步包括：联合概率分布计算器、多自由度参数优化器和纠缠验证器；
所述联合概率分布计算器，用于根据各个测试装置制备的各个量子态以及各个测量结果，得到所有测试装置的联合概率分布；
所述多自由度参数优化器，用于根据所述联合概率分布设置一个多自由度参数，并对该多自由度参数进行优化，得到优化后的多自由度参数；
所述纠缠验证器，用于根据所述联合概率分布和优化后的多自由度参数，计算得到所述n个待测量子系统的量子态的优化后的纠缠验证结果。
本发明中还提供了一种量子纠缠验证方法，该方法包括如下步骤：
根据n个待测量子系统，分别对应设置n个测试装置；其中，n为大于或等于2的整数；
每一个测试装置均产生一个随机数；
每一个测试装置均根据自身所产生的随机数制备对应的量子态；
每一个测试装置均对其制备的量子态以及对应的待测量子系统的量子态进行联合测量，并得到对应的测量结果；
根据各个测试装置制备的各个量子态以及各个测量结果，得到所有测试装置的联合概率分布；
根据所述联合概率分布设置一个多自由度参数，并对该多自由度参数进行优化，得到优化后的多自由度参数；
根据所述联合概率分布和优化后的多自由度参数，计算得到所述待验证量子态的优化后的纠缠验证结果。
较佳的，所述根据所述联合概率分布设置一个多自由度参数包括：
选取一个量子态的纠缠验证w，所述w满足如下条件：
当测量分离态时，平均值为非负；当测量特定纠缠态时，平均值为负。
较佳的，所述对该多自由度参数进行优化，得到优化后的多自由度参数包括：
获取多自由度参数的限制条件以及待优化的参数；
在限制条件下将优化问题转化为线性规划或者半正定规划问题；
解决该线性规划或者半正定规划问题从而得到优化后的多自由度参数。
较佳的，根据如下的公式计算得到优化后的纠缠验证结果：
其中，i为待验证量子态的优化后的纠缠验证结果，β为优化后的多自由度参数，p(c1,…,cn|γ1,…,γn)为所有测试装置的联合概率分布，c1,…,cn分别为n个测试装置的测量结果；γ1,…,γn分别为n个测试装置制备的n个量子态。
由上述技术方案可见，在本发明的量子纠缠验证系统及方法中，由于根据待测量子系统的数目设置了相同数目的测试装置，而且各个测试装置都可以产生随机数并根据随机数制备量子态，还可对所制备的量子态以及待验证量子态(即n个待测量子系统的量子态)进行联合测量，得到对应的测量结果，然后进一步得到所有测试装置的联合概率分布，因此最终可以得到待验证量子态的优化后的纠缠验证结果。由于在上述过程中，是先通过随机地输入辅助态(即根据随机数制备的量子态)进行联合测量(实际上是直接对量子态进行局部的测量)，然后再通过汇总所有测量结果来判断待验证量子态的纠缠状态，因此在对多个待测量子系统之间的纠缠进行测量和纠缠验证时，可以保证最终得到的纠缠验证结果不依赖于测量设备的完美性，从而保证了纠缠验证结果的可靠性，即使是在使用不完美的测量仪器时，也可以最大化地利用实验数据对纠缠验证结果进行正确的判断，解决了现有技术中由于仪器的不完美而可能导致的纠缠验证问题。另外，通过对多自由度参数的优化，还可以最大化地利用测量结果，从而可以得到优化后的纠缠验证结果。
附图说明
图1为本发明实施例中的量子纠缠验证系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中的量子纠缠验证方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明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，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中的量子纠缠验证系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的量子纠缠验证系统包括：n个待测量子系统11、n个测试装置12和纠缠验证装置13；其中，n为大于或等于2的整数；
所述n个待测量子系统11与n个测试装置12一一对应连接；
每个测试装置12中包括：随机数生成器121、制备器122和联合测量器123；
所述随机数生成器121，用于产生一个随机数并发送给制备器122；
所述制备器122，用于根据所接收的随机数制备对应的量子态并发送给联合测量器123；
所述联合测量器123，用于对所接收的的量子态以及对应的待测量子系统的量子态进行联合测量，并得到对应的测量结果；将所属测试装置制备的量子态和测量结果发送给纠缠验证装置13；
所述纠缠验证装置13，用于根据各个测试装置12制备的各个量子态以及各个测量结果，得到所有测试装置12的联合概率分布；根据所述联合概率分布设置一个多自由度参数，并对该多自由度参数进行优化，得到优化后的多自由度参数；根据所述联合概率分布和优化后的多自由度参数，计算得到所述n个待测量子系统的量子态的优化后的纠缠验证结果。
较佳的，在本发明的具体实施例中，所述纠缠验证装置13还可进一步包括：联合概率分布计算器131、多自由度参数优化器132和纠缠验证器133；
所述联合概率分布计算器131，用于根据各个测试装置制备的各个量子态以及各个测量结果，得到所有测试装置的联合概率分布；
所述多自由度参数优化器132，用于根据所述联合概率分布设置一个多自由度参数，并对该多自由度参数进行优化，得到优化后的多自由度参数；
所述纠缠验证器133，用于根据所述联合概率分布和优化后的多自由度参数，计算得到所述待验证量子态的优化后的纠缠验证结果。
图2为本发明实施例中的量子纠缠验证方法的流程示意图。如图2所示，本发明实施例中的量子纠缠验证方法包括：
步骤21，根据n个待测量子系统，分别对应设置n个测试装置。
本发明的技术方案可以适用于多个量子系统的测量自检测纠缠验证。因此，在本步骤中，当需要进行量子纠缠验证的量子系统的个数为n时，将分别为每一个待测的量子系统都设置一个对应的测试装置，因此，需要设置n个测试装置。其中，n为大于或等于2的整数。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当需要进行量子纠缠验证的量子系统的个数为2时，可以设置两个测试装置：第一测试装置a和第二测试装置b。
以下将以设置了两个测试装置的技术方案为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。设置多个测试装置的技术方案可以以此类推。
步骤22，每一个测试装置均产生一个随机数。
在本发明的技术方案中，每一个测试装置都具有生成随机数的功能，因此可以生成一个随机数。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当预先设置了两个测试装置：第一测试装置a和第二测试装置b时，所述第一测试装置a和第二测试装置b可以分别产生随机数x和y。
步骤23，每一个测试装置均根据自身所产生的随机数制备对应的量子态。
在生成随机数之后，各个测试装置都可以根据其所生成的随机数制备对应的量子态。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当预先设置了两个测试装置：第一测试装置a和第二测试装置b时，所述第一测试装置a可以根据随机数x制备量子态τx，第二测试装置b可以根据随机数y制备量子态ωy。
步骤24，每一个测试装置均对其制备的量子态以及对应的待测量子系统的量子态进行联合测量，并得到对应的测量结果。
在制备了相应的量子态，各个测试装置即可根据所制备的量子态以及对应的待测量子系统的量子态进行联合测量，并得到对应的测量结果。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当预先设置了两个测试装置：第一测试装置a和第二测试装置b时，所述第一测试装置a可以对其制备的量子态τx以及对应的待测量子系统的量子态进行联合测量，并得到测量结果a；第二测试装置b可以对其制备的量子态ωy以及对应的待测量子系统的量子态进行联合测量，并得到测量结果b。
步骤25，根据各个测试装置制备的各个量子态以及各个测量结果，得到所有测试装置的联合概率分布。
在本发明的技术方案中，由于每一个测试装置都制备了各自的量子态并得到了各自的测量结果，因此可以根据所有的测试装置所制备的所有量子态和所有测量结果，得到所有测试装置的联合概率分布p(c1,…,cn|γ1,…,γn)，其中，n为测试装置的总数，是一个大于或等于2的整数；c1,…,cn分别为n个测试装置的测量结果；γ1,…,γn分别为n个测试装置制备的n个量子态。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当预先设置了两个测试装置：第一测试装置a和第二测试装置b时，可以根据量子态τx和ωy，以及测量结果a和b，得到两个测试装置的联合概率分布p(a,b|τx,ωy)。
步骤26，根据所述联合概率分布设置一个多自由度参数，并对该多自由度参数进行优化，得到优化后的多自由度参数。
由于已经得到了所有测试装置的联合概率分布，因此在本步骤中，可以根据该联合概率分布设置并优化一个多自由度参数，从而得到优化后的多自由度参数。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当预先设置了两个测试装置：第一测试装置a和第二测试装置b时，如果两个测试装置的联合概率分布p(a,b|τx,ωy)，则可设多自由度参数为βx,y,a,b，并对该βx,y,a,b进行优化，以得到优化后的βx,y,a,b。
例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，可以通过如下所述的方法来根据所述联合概率分布设置一个多自由度参数：
选取一个量子态的纠缠验证w，所述w满足如下条件：
当测量分离态时，平均值为非负；当测量特定纠缠态时(不是所有态)，平均值为负。
那么，实验上可以通过测量w来探测这种态的纠缠。当然了，这里需要测量是完美地实现的。
对于这里的参数，可以通过将w分解到输入态基矢下来得到。也即是
这里t表示矩阵的转置，对于a≠1，b≠1的情况，我们取
由于w只能探测一定的纠缠态，所以选取的w并不一定是优化后的，简单地来看，应该选取所有可能的w来保证得到最多的信息。
另外，在本发明的技术方案中，可以使用多种优化方法对多自由度参数进行优化。以下将以其中的一种具体优化方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述对该多自由度参数进行优化，得到优化后的多自由度参数包括：
步骤261，获取多自由度参数的限制条件以及待优化的参数。
例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，根据上面所述，这里的系数beta可以构造出一个纠缠验证测量，
因此，为了使得w是一个纠缠验证，需要保证
另外，还需要一个归一化条件，也即是
tr[w]＝1
一共两个限制条件。
步骤262，在限制条件下将上述优化问题转化为线性规划或者半正定规划问题。
例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述步骤262可以包括：
对于给定的概率分布p(a,b|x,y)，找到
取最小值，其中
(1)
(2)
在本发明的技术方案中，可以使用本领域中常用的方法来解决该线性规划或者半正定规划问题从而得到优化后的多自由度参数，在此不再赘述。
通过上述的步骤261～263，即可得到优化后的多自由度参数。
步骤27，根据所述联合概率分布和优化后的多自由度参数，计算得到所述n个待测量子系统的量子态的优化后的纠缠验证结果。
由于在之前的步骤中已经得到了联合概率分布和优化后的多自由度参数，因此在本步骤中，即可根据所述联合概率分布和优化后的多自由度参数，计算得到所述n个待测量子系统的量子态的优化后的纠缠验证结果。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述优化后的纠缠验证结果可以根据如下所述的公式计算得到：
其中，i为n个待测量子系统的量子态的优化后的纠缠验证结果。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，当预先设置了两个测试装置：第一测试装置a和第二测试装置b时，所述优化后的纠缠验证结果可以根据如下所述的公式计算得到：
i＝∑βx,y,a,bp(a,b|τx,ωy)(2)
因此，通过上述的步骤21～27即可得到n个待测量子系统的量子态的优化后的纠缠验证结果。
综上所述，在本发明的技术方案中，由于根据待测量子系统的数目设置了相同数目的测试装置(例如，如果有n个待测量子系统，则对应地设置n个测试装置)，而且各个测试装置都可以产生随机数并根据随机数制备量子态，还可对所制备的量子态以及待验证量子态进行联合测量，得到对应的测量结果，然后进一步得到所有测试装置的联合概率分布，因此最终可以得到n个待测量子系统的量子态的优化后的纠缠验证结果。由于在上述过程中，是先通过随机地输入辅助态(即根据随机数制备的量子态)进行联合测量(实际上是直接对量子态进行局部的测量)，然后再通过汇总所有测量结果来判断待验证量子态(即n个待测量子系统的量子态)的纠缠状态，因此在对多个待测量子系统之间的纠缠进行测量和纠缠验证时，可以保证最终得到的纠缠验证结果不依赖于测量设备的完美性，从而保证了纠缠验证结果的可靠性，即使是在使用不完美的测量仪器时，也可以最大化地利用实验数据对纠缠验证结果进行正确的判断，解决了现有技术中由于仪器的不完美而可能导致的纠缠验证问题。另外，通过对多自由度参数的优化，还可以最大化地利用测量结果，从而可以得到优化后的纠缠验证结果。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。