非破坏性的贝尔态测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种贝尔态测量系统及测量方法，主要解决现有技术不能对纠缠光子对进行非破坏性的贝尔态测量的问题。其步骤为：1.产生纠缠光子对和前两个辅助单光子(X，Y)，并将这四个光子依次通过第一前置和后置测量子模块

【技术实现步骤摘要】
非破坏性的贝尔态测量系统及测量方法
本专利技术属于通信
，更进一步涉及一种贝尔态测量技术，可用于量子通信。
技术介绍
基于量子力学的海森堡不确定性原理和量子态不可克隆定理，量子通信在物理原理上保证了无条件安全性，因而得到了广泛的重视，取得了快速的发展。量子纠缠被薛定谔称为是“量子力学的精髓”，是量子力学的一种独特的性质。量子纠缠是一种重要的资源，基于量子纠缠，量子通信可以完成许多用经典资源无法完成的信息传输和处理任务。贝尔态是典型的两个光子产生的纠缠态，包括4种量子态，分别是第一量子态|ψ+>12、第二量子态|ψ->12、第三量子态|φ+>12和第四量子态|φ->12。对贝尔态进行测量，对于分析未知纠缠对以及对基于纠缠光子的量子通信协议进行脆弱性分析有着非常重要的意义。贝尔态是最简单的两体量子纠缠态，由纠缠光子源产生第一光子和第二光子，在测量前这两个光子均处于不确定的状态，若对其中之一进行测量，则另一个的状态随之而定，即坍塌到确定态。传统的基于线性光学的测量方法不能完全区分这四个贝尔态，利用受控非门进行测量的典型方法也会破坏掉原来的贝尔态。美国人LOSSDANIEL(CH)申请的专利“FermionicBell-stateanalyzerandquantumcomputerusingsame”(专利申请号：US20070825808)，该专利申请的方法公开了一种贝尔态测量方法,其采用的方式是利用费米子的偏振特性和塞曼效应来确定费米子纠缠对所处的贝尔态，但这种方法与基于线性光学的测量方法一样，不能完全区分4种贝尔态，从而不能完全分析未知光子纠缠对，同时对基于纠缠光子的量子通信协议不能进行有效的窃听。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种非破坏性的贝尔态测量系统及测量方法，通过利用光学器件和量子比特的逻辑运算，在保持被测纠缠光子的状态不被破坏的前提下，测量出其所处的贝尔态。本专利技术的技术方案是这样实现的：一.本专利技术的非破坏性的贝尔态测量系统，包括：纠缠光子源，用于产生一对纠缠光子，即第一光子(1)和第二光子(2)；偏振单光子源，用于产生第一辅助单光子(X)、第二辅助单光子(Y)，第三辅助单光子(M)和第四辅助单光子(N)；光子传输路径，包括两条主传输路径(A1，A2)和四条辅助传输路径(B1，B2，B3，B4)，两条主传输路径(A1，A2)用于分别传输第一光子(1)和第二光子(2)，四条辅助传输路径(B1，B2，B3，B4)用于分别传输四个辅助单光子(X，Y，M，N)；单光子探测器，包括四个单光子探测器(D1，D2，D3，D4)，用于与测量模块相配合确定被测纠缠光子对(1，2)所处的贝尔态；测量模块，包括：前置第一测量子模块Q1，用于产生第一中间输出信号ω1；后置第一测量子模块用于将第一中间输出信号ω1转化为第一输出信号Ω1；前置第二测量子模块Q2，用于产生第二中间输出信号ω2；后置第二测量子模块用于将第二中间输出信号ω2转化为第二输出信号Ω2；所述前置第一测量子模块Q1与后置第一测量子模块串行连接，用于将第一输出信号Ω1同时输出给第一单光子探测器D1和第二单光子探测器D2；所述前置第二测量子模块Q2与后置第二测量子模块串行连接，用于将第二输出信号Ω2同时输出给第三单光子探测器D3和第四单光子探测器D4。二.利用非破坏性的贝尔态测量系统进行贝尔态测量的方法，包括如下步骤：1)由纠缠光子源产生纠缠光子对(1，2)，即第一光子(1)和第二光子(2)；2)由偏振单光子源产生第一辅助单光子(X)、第二辅助单光子(Y)、第三辅助单光子(M)和第四辅助单光子(N)，且第一辅助单光子(X)和第三辅助单光子(M)为空光子，第二辅助单光子(Y)和第四辅助单光子(N)的偏振方向均为水平方向；3)将第一光子(1)、第二光子(2)、第一辅助单光子(X)和第二辅助单光子(Y)分别沿着对应的第一主传输路径(A1)、第二主传输路径(A2)、第一辅助传输路径(B1)和第二辅助传输路径(B2)进行一次传输后，再依次通过第一前置测量子模块Q1和第一后置测量子模块进行二次传输，输出第一输出信号Ω1，然后将该第一输出信号Ω1同时传送给第一单光子探测器(D1)和第二单光子探测器(D2)中，驱动这两个单光子探测器进行响应，并记录这两个单光子探测器(D1，D2)的响应结果；4)将第一光子(1)、第二光子(2)、第三辅助单光子(M)和第四辅助单光子(N)沿着对应的第一主传输路径(A1)、第二主传输路径(A2)、第三辅助传输路径(B3)和第四辅助传输路径(B4)进行一次传输后，再依次通过第二前置测量子模块Q2和第二后置测量子模块Q2+进行二次传输，输出第二输出信号Ω2，然后将该第二输出信号Ω2同时传送给第三单光子探测器(D3)和第四单光子探测器(D4)中，驱动这两个单光子探测器进行响应，观察并记录这两个单光子探测器(D3，D4)的响应结果；5)根据这四个单光子探测器(D1，D2，D3，D4)的响应结果，确定被测纠缠光子对(1，2)的贝尔态：当第一单光子探测器(D1)和第四单光子探测器(D4)都有响应时，则纠缠光子对(1，2)所处的状态为第一量子态|ψ+>12；当第一单光子探测器(D1)和第三单光子探测器(D3)都有响应时，则纠缠光子对(1，2)所处的状态为第二量子态|ψ->12；当第二单光子探测器(D2)和第四单光子探测器(D4)都有响应时，则纠缠光子对(1，2)所处的状态为第三量子态|φ+>12；当第二单光子探测器(D2)和第三单光子探测器(D3)都有响应时，则纠缠光子对(1，2)所处的状态为第四量子态|φ->12。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术致力于量子通信领域的研究热点和前沿问题，借助辅助单光子进行贝尔态测量，这对基于贝尔态测量的量子通信协议的脆弱性分析有着非常重要的意义；2.本专利技术搭建测量模块，充分利用光学器件和量子逻辑门，根据测量结果可完全确定被测纠缠光子对在4种贝尔态中的量子态；3.本专利技术中被测光子只作为控制因子通过测量子模块，促使系统状态发生变化，而保持被测光子的本身状态不被破坏，从而保证了测量的秘密性。附图说明图1为本专利技术的测量系统框图。图2为本专利技术的测量流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。参照图1，本专利技术的非破坏性贝尔态测量系统，包括：纠缠光子源，偏振单光子源，光子传输路径，单光子探测器和测量模块。所述纠缠光子源，用于产生一对纠缠光子，即第一光子1和第二光子2，该纠缠光子对的贝尔态有四种：第一量子态|ψ+>12、第二量子态|ψ->12、第三量子态|φ+>12和第四量子态|φ->12，分别表示如下：其中，|H>1表示第一光子1的偏振方向为水平，|H>2表示光子第二光子2的偏振方向为水平，|V>1表示第一光子1的偏振方向为垂直，|V>2表示第二光子2的偏振方向为垂直，|ψ+>12和|φ+>12中的‘+’表示这两个光子的组合偏振方向以加运算，|ψ->12和|φ->12中的‘-’表示这两个光子的组合偏振方向以减运算；所述偏振单光子源，用于产生第一辅助单光子X、第二辅助单光子Y，第三辅助单光子M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非破坏性的贝尔态测量系统，其特征在于，包括：纠缠光子源，用于产生一对纠缠光子，即第一光子(1)和第二光子(2)；偏振单光子源，用于产生第一辅助单光子(X)、第二辅助单光子(Y)，第三辅助单光子(M)和第四辅助单光子(N)；光子传输路径，包括两条主传输路径(A1，A2)和四条辅助传输路径(B1，B2，B3，B4)，两条主传输路径(A1，A2)用于分别传输第一光子(1)和第二光子(2)，四条辅助传输路径(B1，B2，B3，B4)用于分别传输四个辅助单光子(X，Y，M，N)；单光子探测器，包括四个单光子探测器(D1，D2，D3，D4)，用于与测量模块相配合确定被测纠缠光子对(1，2)所处的贝尔态；测量模块，包括：第一前置测量子模块Q

【技术特征摘要】
2015.12.15 CN 20151093920991.一种非破坏性的贝尔态测量系统，其特征在于，包括：纠缠光子源，用于产生一对纠缠光子，即第一光子(1)和第二光子(2)；偏振单光子源，用于产生第一辅助单光子(X)、第二辅助单光子(Y)，第三辅助单光子(M)和第四辅助单光子(N)；光子传输路径，包括两条主传输路径(A1，A2)和四条辅助传输路径(B1，B2，B3，B4)，两条主传输路径(A1，A2)用于分别传输第一光子(1)和第二光子(2)，四条辅助传输路径(B1，B2，B3，B4)用于分别传输四个辅助单光子(X，Y，M，N)；单光子探测器，包括四个单光子探测器(D1，D2，D3，D4)，用于与测量模块相配合确定被测纠缠光子对(1，2)所处的贝尔态；测量模块，包括：第一前置测量子模块Q1，用于产生第一中间输出状态ω1；第一后置测量子模块Q1+，用于将第一中间输出状态ω1转化为第一输出状态Ω1；第二前置测量子模块Q2，用于产生第二中间输出状态ω2；第二后置测量子模块Q2+，用于将第二中间输出状态ω2转化为第二输出状态Ω2；所述第一前置测量子模块Q1与第一后置测量子模块Q1+串行连接，用于将第一输出状态Ω1同时输出给第一单光子探测器D1和第二单光子探测器D2；所述第二前置测量子模块Q2与第二后置测量子模块Q2+串行连接，用于将第二输出状态Ω2同时输出给第三单光子探测器D3和第四单光子探测器D4。2.根据权利1所述的测量系统，其中第一前置测量子模块Q1，包括两个阿达马门(H1，H2)、一个偏振分光棱镜(S1)和两个受控非门(T1，T2)，且第一阿达马门(H1)、第一偏振分光棱镜(S1)和第二受控非门(T1)依次位于第一辅助传输路径(B1)的前段，第二阿达马门(H2)、第一偏振分光棱镜(S1)和第一受控非门(T2)依次位于第二辅助传输路径(B2)前段。3.根据权利1所述的测量系统，其中第一后置测量子模块Q1+，包括两个受控非门(T3，T4)、一个偏振分光棱镜(S2)和两个阿达马门(H3，H4)，且第三受控非门(T3)、第二偏振分光棱镜(S2)和第三阿达马门(H3)依次位于第一辅助传输路径(B1)的后段，第四受控非门(T4)、第二偏振分光棱镜(S2)和第四阿达马门(H4)依次位于第二辅助传输路径(B2)的后段。4.根据权利1所述的测量系统，其中第二前置测量子模块Q2，包括四个阿达马门(H5，H6，H7，H8)、一个偏振分光棱镜(S3)和两个受控非门(T5，T6)，且第五阿达马门(H5)和第六阿达马门(H6)位于第二主传输路径(A2)的前段，第七阿达马门(H7)、第三偏振分光棱镜(S3)和第六受控非门(T5)位于第三辅助传输路径(B3)前段，第八阿达马门(H8)、第三偏振分光棱镜(S3)和第五受控非门(T6)位于第四辅助传输路...

【专利技术属性】
技术研发人员：权东晓，杨会科，朱畅华，陈娜，赵楠，易运晖，陈南，裴昌幸，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61