一种单光子量子路由器的制作方法

1.本实用新型涉及光量子组网安全通信技术领域，特别涉及一种单光子量子路由器。


背景技术：

2.实现大量用户的大规模量子通信组网需要基于量子力学原理的量子路由器。与经典路由器类似，量子路由器的功能也是根据路由协议将信号在网络节点间准确传输。不同的是，量子路由器的控制信息与信号信息都是量子比特所携带的量子信息。目前，量子路由方案的实现方式有两种。一种是基于光与物质的相互作用，如利用铯原子与微型环形腔的强耦合构造单光子量子路由器，但是这种方案需要激光冷却和束缚原子，在现行实验条件下难以得到验证，因此实现起来相当困难。另一种是使用全光系统的方案，在这一类中，有的方案路中的控制信息是经典的光脉冲，只能算是半量子路由器。还有利用控制量子态与信号量子态在光学器件中的相互作用，如基于量子纠缠的方案，从而控制量子态来控制信号量子态的传播路径。基于纠缠的方案需要利用非线性光学效应产生纠缠态，存在效率低、噪声影响大、实现方案复杂缺陷。


技术实现要素：

3.本实用新型目的在于提供一种单光子量子路由器，以解决现有技术中量子路由器基于纠缠的方案需要利用非线性光学效应产生纠缠态，存在效率低、噪声影响大、实现方案复杂缺陷的技术性缺陷。
4.本实用新型的技术方案是这样实现的：
5.一种单光子量子路由器，包括第一控制信息输入端口c1、第二控制信息输入端口c2、信号信息输入端口si、第一信号信息输出端口so1、第二信号信息输出端口so2、第一半波片hwp1、第一四分之一波片qwp1、第一反射镜m1、第二半波片hwp2、第二四分之一波片qwp2、第二反射镜m2、第一偏振分束器pbs1、第三反射镜m3、第一哈达玛门hg1、第二偏振分束器pbs2、第二哈达玛门hg2、第三偏振分束器pbs3、第四偏振分束器pbs4、第一分束器bs1、第三半波片hwp3、第二分束器bs2、第四反射镜m4、第五偏振分束器pbs5、第一单光子探测器spd1、第五反射镜m5、第六偏振分束器pbs6以及第二单光子探测器spd2，所述第一控制信息输入端口c1依次连接第一半波片hwp1、第一四分之一波片qwp1、第一反射镜m1以及第二偏振分束器pbs2，所述第二控制信息输入端口c2依次连接第二半波片hwp2、第二四分之一波片qwp2、第二反射镜m2以及第二偏振分束器pbs2，所述信号信息输入端口si连接第一偏振分束器pbs1，所述第一偏振分束器pbs1的一输出端口依次通过第三反射镜m3、第一哈达玛门hg1连接第二偏振分束器pbs2，所述第一偏振分束器pbs1另一输出端口直接通过第一哈达玛门hg1连接第二偏振分束器pbs2，所述第二偏振分束器pbs2的第一输出端依次连接第四反射镜m4、第一哈达玛门hg1、第五偏振分束器pbs5、第一单光子探测器spd1，所述第二偏振分束器pbs2的第二输出端依次连接第五反射镜m5、第二哈达玛门hg2、第六偏振分束器
pbs6以及第二单光子探测器spd2，所述第二偏振分束器pbs2的第三输出端依次连接第二哈达玛门hg2、第三偏振分束器pbs3、第一分束器bs1、第三半波片hwp3以及第一信号信息输出端口so1，所述第二偏振分束器pbs2的第四输出端依次连接第二哈达玛门hg2、第四偏振分束器pbs4、第二分束器bs2以及第二信号信息输出端口so2，所述第三偏振分束器pbs3与第二分束器bs2连接，所述第四偏振分束器pbs4与第一分束器bs1连接。
6.优选地，所述第一哈达玛门hg1和第二哈达玛门hg2均为半波片，光轴与水平方向夹角为22.5
°
。
7.优选地，所述第一哈达玛门hg1、第二偏振分束器pbs2和第二哈达玛门hg2为大尺寸光学元件。
8.优选地，所述第三半波片hwp3的光轴与水平方向夹角为45
°
。
9.与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：
10.本实用新型的单光子量子路由器，仅使用常规线性光学元件即可实现单光子量子路由器，无需采用量子纠缠或者激光冷却原子等复杂技术，提高了量子路由器的实用性，降低了系统的复杂度。
附图说明
11.图1为本实用新型单光子量子路由器的原理框图。
具体实施方式
12.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。
13.如图1 所示，一种单光子量子路由器，包括第一控制信息输入端口c1、第二控制信息输入端口c2、信号信息输入端口si、第一信号信息输出端口so1、第二信号信息输出端口so2、第一半波片hwp1、第一四分之一波片qwp1、第一反射镜m1、第二半波片hwp2、第二四分之一波片qwp2、第二反射镜m2、第一偏振分束器pbs1、第三反射镜m3、第一哈达玛门hg1、第二偏振分束器pbs2、第二哈达玛门hg2、第三偏振分束器pbs3、第四偏振分束器pbs4、第一分束器bs1、第三半波片hwp3、第二分束器bs2、第四反射镜m4、第五偏振分束器pbs5、第一单光子探测器spd1、第五反射镜m5、第六偏振分束器pbs6以及第二单光子探测器spd2，所述第一控制信息输入端口c1依次连接第一半波片hwp1、第一四分之一波片qwp1、第一反射镜m1以及第二偏振分束器pbs2，所述第二控制信息输入端口c2依次连接第二半波片hwp2、第二四分之一波片qwp2、第二反射镜m2以及第二偏振分束器pbs2，所述信号信息输入端口si连接第一偏振分束器pbs1，所述第一偏振分束器pbs1的一输出端口依次通过第三反射镜m3、第一哈达玛门hg1连接第二偏振分束器pbs2，所述第一偏振分束器pbs1另一输出端口直接通过第一哈达玛门hg1连接第二偏振分束器pbs2，所述第二偏振分束器pbs2的第一输出端依次连接第四反射镜m4、第一哈达玛门hg1、第五偏振分束器pbs5、第一单光子探测器spd1，所述第二偏振分束器pbs2的第二输出端依次连接第五反射镜m5、第二哈达玛门hg2、第六偏振分束器pbs6以及第二单光子探测器spd2，所述第二偏振分束器pbs2的第三输出端依次连接第二哈达玛门hg2、第三偏振分束器pbs3、第一分束器bs1、第三半波片hwp3以及第一信号信息输出端口so1，所述第二偏振分束器pbs2的第四输出端依次连接第二哈达玛门hg2、第四偏振分束器pbs4、第二分束器bs2以及第二信号信息输出端口so2，所述第三偏振分束器
pbs3与第二分束器bs2连接，所述第四偏振分束器pbs4与第一分束器bs1连接。所述第一哈达玛门hg1和第二哈达玛门hg2均为半波片，光轴与水平方向夹角为22.5
°
。所述第一哈达玛门hg1、第二偏振分束器pbs2和第二哈达玛门hg2为大尺寸光学元件。所述第三半波片hwp3的光轴与水平方向夹角为45
°
。第一控制信息输入端口c1和第二控制信息输入端口c2输入的控制信息相位相差。第三偏振分束器pbs3的水平偏振输出端口与第四偏振分束器pbs4的竖直偏振输出端口通过第一分束器bs1合束。
14.本实用新型的量子路由器具体工作过程如下：
15.第一控制信息输入端口c1，第二控制信息输入端口c2分别入射1个水平偏振的单光子c1和c2，分别经过第一半波片hwp1、第一四分之一波片qwp1和第二半波片hwp2、第二四分之一波片qwp2变换后变成c11和c21，量子态均为。具有任意偏振态的单光子s0作为信号信息从端口si入射到量子路由器，其量子态为。然后被第一偏振分束器pbs1分成幅度为的水平偏振分量s1和幅度为的竖直偏振分量s2后，同时经过第一哈达玛门hg1进行偏振变换。第一哈达玛门hg1为光轴与水平方向夹角为22.5
°
的半波片，琼斯矩阵为
[0016][0017]
s1经第一哈达玛门hg1后偏振态变为, s2经第一哈达玛门hg1后偏振态变为。s1和c11、s2和c21分别在第二偏振分束器pbs2上进行干涉叠加。
[0018]
s1和c11干涉叠加后，从第二偏振分束器pbs22输出的量子态为，下标t和r分别表示透射和反射，后两项两个光子同时透射或反射的项舍弃，前两项表示透射的量子态为，同时反射的量子态为。透射和反射的量子态经过第二哈达玛门hg2之后，分别变为和，后者透过第六偏振分束器pbs6之后进入第二单光子探测器spd2，前者则经过第四偏振分束器pbs4被分成水平偏振分量和竖直偏振分量。
[0019]
s2和c21干涉叠加后，从第二偏振分束器pbs2输出的量子态为，后两项两个光子同时透射或反射的项舍弃，前两项表示透射的量子态为，同时反射的量子态为。透射的量子态经过第二哈达玛门hg2后变为，反射的量子态经过第一哈达玛门hg1后变为，后者透过第五偏振分束器pbs5之后进入第一单光子探测器spd1，前者则经过第三偏振分束器pbs3被分成水平偏振分量和竖直偏振分量
。
[0020]
从第三偏振分束器pbs3透射的水平偏振分量与从第四偏振分束器pbs4反射的竖直偏振分量通过第一分束器bs1合束，量子态为
[0021][0022]
第三半波片hwp3的光轴与水平方向夹角45
°
，作用为将偏振态旋转90
°
。因此从bs1合束的量子态经过第三半波片hwp3之后变为
[0023][0024]
最后从第一信号信息输出端口so1输出。
[0025]
从第三偏振分束器pbs3反射的竖直偏振分量与从第四偏振分束器pbs4透射的水平偏振分量通过第二分束器bs2合束，量子态为
[0026][0027]
最后从第二信号信息输出端口so2输出。
[0028]
最终输出的总量子态可写为
[0029][0030][0031]
可以看出，通过改变相位，即改变控制信息的量子态即可实现信号信息的输出端口控制，而不改变输入信号信息的量子态。时，信号只从第二信号信息输出端口so2端口输出。时，信号只从第一信号信息输出端口so1端口输出。量子路由器的输出状态与控制信息之间的关系如表1所示：
[0032]
表1：量子路由器的输出状态与控制信息关系表
[0033][0034]
其中表示控制信息状态on，表示控制信息状态off。