一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法与流程

本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法。

背景技术：

超纠缠态在量子通信方案中占有重要地位，如量子隐形传态、量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享。超纠缠是量子系统同时在多个自由度上存在纠缠，在量子通信领域引起了广泛的关注。以往的研究已经证明，超纠缠可以提高信道容量。此外，超纠缠量子系统的贝尔不等式可以有效地提高量子通信的安全性。因此，超纠缠量子系统是量子通信领域的一个重要资源。

无噪声线性放大是ralph和lund在2009年首次提出的一种解决量子通信中光子传输损耗问题的有效方法。在设备无关的量子密钥分配(di-qkd)中，无噪声线性放大被广泛用于保护单光子量子比特和纠缠。在远距离量子通信中，量子纠缠的分发是一个主要的技术难题。实际量子信道中的环境信道噪声会造成光子传输损耗，降低通信效率，甚至威胁量子通信的安全。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，需要使用一对处于最大纠缠态的极化光子对，再经过一个时间延迟系统，将制备好的纠缠态加入时间纠缠，最终形成超纠缠的辅助量子态。辅助光子态和信号光子同时进入放大器。放大器主要组成部分为四个极化分束器(pbs)、两个部分极化分束器(ppbs)和四个探测器。最终根据探测器响应类型，我们可判断是否保留输出态，并根据结果计算成功概率和保真度。只需要一些常见的光学元件，可以在当前的实验技术下实现，具有较强的实用性。

本发明提供一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，所述方法步骤如下：

步骤一：用户2制备一对包含信息数据的时间—极化双光子超纠缠态，并向用户1发送该超纠缠态中的一个光子；

步骤二：用户1制备一对最大纠缠的极化纠缠态，并在这一对极化纠缠态中加入时间纠缠，成最大纠缠的时间—极化超纠缠态，该超纠缠态作为放大系统的辅助态；

步骤三：用户1对进入放大器的信号光子态和辅助态进行一系列操作，由于放大概率不是百分之百，所以会产生多种输出态，不同的输出态将会导致探测器不同的响应效果；

步骤四：根据计算，得知不同的探测器响结果对应的输出态，根据探测器响应情况，选择保留需要的态，舍弃不符合条件的态，

并根据结果计算方案的成功概率和信号态的保真度。

进一步改进在于：所述步骤一中用户2将信息编码于一个时间—极化超纠缠态中，其形式写成|h>和|v>分别被定义为水平极化和垂直极化，|s>和|l>分别被定义为时间片段纠缠中的短路径和长路径，α，β，δ，η是四个纠缠系数，要求|α|²+|β|²＝1、|δ|²+|η|²＝1；用户2通过量子信道向用户1发送编码信息，信息内容由上述的时间-极化超纠缠态编码组成，但由于现实中量子信道中的环境噪声会造成光子传输损耗，从而导致原超纠缠态退化为混合态。

进一步改进在于：所述步骤二中为了提高混合态中超纠缠态的保真度，用户1制备一对最大纠缠的双光子极化纠缠态然后再经过一个时间延迟系统，将制备好的纠缠态加入时间片段纠缠，形成新的超纠缠态形式为为用户1需要的辅助态，然后，用户1将收到的信息光子和辅助态光子通入放大器中。

进一步改进在于：所述步骤三中信息态和辅助态进入放大器后，将信息态经过一个pbs，根据极化特性分开分别在每个放大器单元中进行放大，每个放大器单元主要组成部分为四个极化分束器(pbs)、两个部分极化分束器(ppbs)和四个探测器，各个光子会以不同的概率到达各个探测器和输出端口，在输出端口之前加一个pbs，将进入时被分开的态重新组合成具有初始形式的超纠缠态。

进一步改进在于：所述步骤四中根据计算，得到四类探测器响应情况对应需要的态，而其他探测器响应情况得到的输出态将舍弃，在保留的四类探测器响应类型中：第一类是当d1、d2、d3、d4探测器为相同极性时，d1、d2、d3、d4均为h或者v响应时,即|hhhv>d1d2d3d4、|vvvv>d1d2d3d4；第二类为d1、d2响应极性相同，d3、d4响应极性相反时，即|hhhv>d1d2d3d4、|hhvh>d1d2d3d4、|vvhv>d1d2d3d4、|vvvh>d1d2d3d4；第三类为d1、d2响应极性相反，d3、d4响应极性相同时，即|hvhh>d1d2d3d4、|vhhh>d1d2d3d4、|hvvv>d1d2d3d4、|vhvv>d1d2d3d4；第四类为d1、d2响应极性相反，同时d3、d4响应极性也相反时，即|hvhv>d1d2d3d4、|hvvh>d1d2d3d4、|vhhv>d1d2d3d4、|vhvh>d1d2d3d4。

进一步改进在于：所述步骤一中考虑到光子传输过程中可能发生丢失，该超纠缠态退化为混合态。

进一步改进在于：所述步骤二中用户1让接收到的信号光子和辅助态进入放大器，对包含信息的超纠缠态进行放大。

本发明的有益效果是：能有效提高时间-极化超纠缠态的保真度，减少光子传输损耗，并能保持纠缠光子对在时间和极化两个自由度的特性。采用的放大设备的成功概率不会随着保真度放大系数的增加渐进下降到零。放大设备采用的都是常用的光学器件，在现有的实验条件下可以应用，具有较强的应用性。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是本发明的放大器单元的结构原理图。

图3是本发明的无噪线性放大方案原理图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步的详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图1-3所示，本实施例提供了一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，假设通信方bob，即用户2，信息发送方从光子源s中制备了一个任意的双光子极化-时间超纠缠态。这个任意的超纠缠态写成

这里的|h>和|v>分别被定义为水平极化和垂直极化。|s>和|l>分别被定义为时间纠缠中的短路径和长路径。其中α，β，δ，η是四个纠缠系数，要求|α|²+|β|²＝1、|δ|²+|η|²＝1。

bob将b1模式的光子通过量子信道发送给远方的alice，即用户1，信息接收方。在光子传输的过程中，信道噪声会导致光子丢失，丢失的概率假设为1-f，这就导致超纠缠态退化为混合态，混合态表示为

alice的目标是通过事先准备好的放大器增加ρin中态的保真度。在协议中，alice需要制备两对最大纠缠态作为辅助态，其形式为

为生成时间纠缠，alice使b1(c1)模式先后通过pbs1b(pbs1c)和pbs2b(pbs2c)，使b2(c2)模式先后通过pbs3b(pbs3c)和pbs4b(pbs4c)。长路径(l)和短路径(s)需要被精确调整，使得极化光子|h>和|v>分别加入时间片段|s>和|l>。用这种方法，得到两个辅助态为

然后，alice将收到的信息光子和辅助态光子通入放大器中。

这里采用的放大器单元如图二所示。该放大器单元由两个极化分束器(pbs)和两个部分极化分束器(ppbs)组成。pbs可以完全透过水平偏振光，完全反射垂直偏振光。部分极化分束器ppbs1可以完全反射垂直偏振光，以r的反射率反射水平偏振光。这个转换写成

α⁺a1,v→-α⁺d1,v

同样，部分极化分束器ppbs2可以完全反射水平偏振光，以r的反射率反射垂直偏振光。这个转换写成

α⁺a2,h→-α⁺d2,h

这里的d1和d2是标准偏振分析检测块，在d1和d2两个检测块上进行双光子复合测量，根据测量结果判断是否保留输出态。

时间—极化超纠缠态无噪线性放大方案的原理图如图三所示。首先考虑的情况是在a1模式下的单光子以f的概率没有发生丢失的情况。alice使初始单光子通过pbs1。在经过pbs1之后，态|ψⁱⁿ>变化为

接下来，alice使a2、a3的光子经过普客盒(pc)去反转光子的极性，这里pcs(pcl)只分别作用于s(l)的时间纠缠，|ψⁱⁿ1>接下来变成

这样，整个光子态写成

在图三中，将放大器单元1中的检测模块分别定义为d1和d2，放大器单元2中的检测模块分别定义为d3和d4。在上式中，alice选出d1、d2、d3和d4分别只有一个光子响应的情况，在这种情况下，上式将会塌缩为

alice对d1、d2、d3和d4模式下的输出光子进行贝尔态测量，首先让检测模块的每个光子进入四分之一波片。四分之一波片的作用如下

这里i＝1，2，3，4。经过四分之一波片，|ψ2>将会变为

接下来，进入d1、d2、d3、d4中的每个光子通过一个pbs，各个出射端口的出射光子用单光子探测器检测。在这里把所有成功的探测结果分为四类。第一类：进入d1和d2的光子极性检测结果相同，进入d3和d4的光子极性检测结果也相同；第二类：进入d1和d2的光子极性检测结果相同，但进入d3和d4的光子极性检测结果不同；第三类：进入d1和d2的光子极性检测结果不同，但进入d3和d4的光子极性检测结果相同；第四类：进入d1和d2的光子极性检测结果不同，进入d3和d4的光子极性检测结果也不同。

分析第一种成功情况，即进入d1和d2的光子极性检测结果相同，进入d3和d4的光子极性检测结果也相同，从|ψ3>中可选出需要的态：

在上述检测结果下，上式的状态将会塌缩为

通过同样的方法，可以得到第二类、第三类和第四类的成功的输出结果，将这四类结果整合到一起，最终得到的总输出结果为

接下来，将模式b3(c3)的光子经过pcl(pcs)，输出态|ψout²>将变成

最后，b4和c4模式的光子通过pbs2输出，将会得到最终的输出结果

可以看出，输出结果和接收到的输入态在极化和时间片段两个自由度上的信息是完全相同的。

根据上面的描述，可以计算出成功概率为

另一方面，如果空间模式a1的初始光子在传输中以1-f的概率丢失了。所以进入放大系统的态只有辅助态。得到的状态是

像之前一样，将|ψ'1>通过放大器，然后选出每个放大器只有一个光子响应的情况，选出的成功的态为

alice仍然让每个检测块的输入光子进入一个四分之一波片。像上面一样，可能有四种成功的探测类型，每种与前面的操作类似。上式将会塌缩为真空态，在这种情况下，成功概率为

两种情况总的成功概率为

新混合态的保真度为

得到放大系数为

要实现保真度放大，要求f'＞f，即g＞1。通过计算可知，当或者时，可实现g＞1，故只需要调整ppbs的系数r，即可实现原入射态的放大。

综上所述，通过运行该方案，能明显提高入射目标态的保证度，并能完美保留原入射态在极化和时间片段两个自由度的信息，且方案的成功概率不会随着放大因子的增大而减小到零。整体分为四个步骤，前两个步骤为态的制备，其中包括初态和辅助态。第三个步骤为放大器放大的过程，在这一步骤中，放大器中的pbss和ppbss起到了关键性的作用，决定着成功概率和保真度。最后一步为选择过程，通过探测器的不同响应，来挑选出需要的被成功放大的态。由于用到的都是当前实验条件下常见的光学器件，所以本方案具有很强的实用性。