一种相干场密集编码通信装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置及方法，所述装置包括：相干场发生组件、分束器、初始叠加态生成组件、模式控制门阵列组件、延时器、合束器、通信信道、正交模式分束器以及正交相位编码相干检测组件；本发明专利技术利用场的相干叠加性质以及正交伪随机编码的正交性、封闭性、平衡性，实现量子密集编码，也就是随着量子数量的增加，量子态所携带的经典信息量指数增加。我们这种相干场实现的密集编码不仅具有量子密集编码的优势，而且更加易于实现，利用现有成熟技术就能实现大规模应用，与此同时还能克服量子密集编码通信中容易受到退相干干扰的困难。

Coherent field dense coding communication device and method based on pseudo random phase sequence and orthogonal mode superposition state

The invention discloses a field communication device and method for encoding dense phase coherent pseudo-random sequences and orthogonal mode superposition based on the device comprises a coherent field component, beam splitter, the initial generation of superposition of components, control components, array mode delayer, combiner, communication channel, orthogonal mode splitting and quadrature phase encoding coherent detection component; coherent superposition properties and orthogonality, orthogonal pseudo-random encoding closed and the balance of the field of the invention to realize quantum dense encoding, which is with the increase of quantum number, the amount of classical information carried by the increase of quantum state index. We achieve this coherence intensive encoding field not only has the advantages of quantum dense encoding, and easy to implement large-scale application can use the existing mature technology, at the same time can overcome the decoherence of quantum dense susceptible to interference difficulties in encoding communication.

【技术实现步骤摘要】
一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置及方法
本专利技术涉及一种通信装置，尤其涉及一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置及方法。背景介绍量子信息是计算机和通信技术发展的未来。随着集成电路晶体管尺度的减小，量子效应将不可避免，离散的量子状态与计算机0和1的表示天然一致，因此发展量子计算将是计算机技术发展到今天的必然选择。随着量子计算的研究，发现量子计算具有经典计算无可比拟的巨大优势，量子计算是一种全新的并行计算技术，由于量子体系具有经典体系所不具备的叠加态和张量积结构的存在，使得量子计算机能够指数加速传统经典计算机难以处理的许多NP问题，如大数因式分解、无序数据库搜索等。例如采用传统计算机需要数亿年才能破解的RSA加密算法，在量子计算机中利用Shor算法只需要短短数秒即可完成。这些成果大大震撼了整个学术界和产业界，大大促进了量子计算技术的研究。除了量子计算之外，还有量子通信技术为信息传输的保密性提供了新的保证。但是除了在保密通信之外，量子信息的密集编码技术能够极大提高信息通信容量，这一方面也被人们广泛关注。最早Bennett等人发现利用量子纠缠态可以实现量子密集编码，即一个量子比特可以传输的两个经典比特的信息量(C.H.Bennett,etal.Phys.Rev.Lett.69,288(1992))。量子密集编码需要依靠量子态的相干叠加性质和量子纠缠性质来实现，但是这种相干叠加性质非常容易收到外界的影响导致退相干，这种退相干效应会导致量子密集编码的完全失效，因此到目前为止，尚没有可以实用化的方案来实现量子密集编码。近年来，利用光场实现量子态的模拟得到了重视，一方面由于光场的相干叠加性质和量子相干叠加性质非常接近，虽然物理解释上不一致；另一方面光场的相干叠加性质不容易受到外界干扰退相干。已经形成共识的是，光场对于单量子波函数的模拟完全没有问题，完全一致的Hilbert空间数学结构，以及场强分布和粒子几率分布的相似性。但是，对于多粒子体系的量子纠缠效应，光场的模拟仍然存在这争议。许多研究认为通过对光场增加一个自由度可以实现对量子纠缠的模拟，甚至将这种模拟称之为经典纠缠(A.Aielloetal.,NewJ.Phys.17,043024(2015)；F.Toppeletal.,NewJ.Phys.16,073019(2014)；A.Luis,Opt.Commun.282,3665(2009))。在专利技术专利申请201610326288.0中提出了利用伪随机相位编码的正交性，通过在每个光场上调制一个伪随机相位编码实现对不同光场的区分，这样来模拟多个量子粒子，实现类似量子计算的光学并行计算的新方法。正交伪随机编码已经广泛应用到无线和有线通信领域实现对不同用户的区分，例如在码分多址(CDMA)技术中就是利用编码的正交性实现多用户的同时通信。这种正交伪随机相位编码(例如m-序列或者M-序列)不仅在能够区分不同的光场，而且带来和量子测量相似的随机性，从而可以在其中引入类似于量子系综的概念。此外，利用不同正交偏振模式进行多信道传输已经得到很多的研究和应用，专利200510072337.4就提出了一种利用偏振模式来增加光通信容量的方法，以及一些研究(M.S.Alfiad,etal.,J.LightwaveTechnol.,2009,27(16)35903598.)详细讨论了偏振复用在实际通信系统中的应用。但是，这种方法一般只能增加一倍的通信容量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有偏振复用通信技术的增加通信容量有限以及量子密集编码通信容易被退相干影响的缺点，结合正交伪随机相位序列和相干场模式相干叠加的性质，提供一种相干场密集编码通信装置及方法，以实现类似于量子密集编码能指数增加信道容量的功能。本专利技术的目的通过以下技术方案实现的：本专利技术的目的通过以下技术方案实现的：一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置，它包括：相干场发生组件、分束器、初始叠加态生成组件、模式控制门阵列组件、延时器、合束器、通信信道、正交模式分束器以及正交相位编码相干检测组件；所述模式控制门阵列组件由多个模式控制开关组成，所述模式控制开关，是指能控制相干场正交模式通过的器件；首先根据待传输的数据对模式控制门阵列组件中的多个模式控制开关分别进行设置；设置完成后，相干场发生组件产生一束具有单一正交模式的相干场，相干场经过分束器分成若干束相干场；每一束相干场经过初始叠加态生成组件，被调制上不同的伪随机相位序列的同时，将其单一正交模式变换为两个正交模式|0>和|1>的叠加态|0>+|1>，由此得到初始叠加态；这些处于初始叠加态的相干场经过模式控制门阵列组件后，携带上待传输的数据，得到最终叠加态；然后这些处于最终叠加态的场经过延时器分别进行不同延时，使得各个场先后通过合束器依次送入通信信道传送到目的地；到达目的地后，相干场首先被正交模式分束器按照|0>和|1>正交模式分为两束场，然后分别进入正交相位编码相干检测组件探测相干场所调制的伪随机相位序列存在状态，并得到最终叠加态的模式状态矩阵，最后通过一种基于序列遍历机制读出方法得到这些场表示的数据。进一步地，所述的初始叠加态生成组件，包括正交伪随机码产生器、相位调制器、以及哈德玛德型模式变换器构成，正交伪随机码产生器同时产生若干个正交伪随机编码，输入到若干个相位调制器上，每个相位调制器的编码均不相同，每个相位调制器调制不同的相干场，使得每个相干场都具有不同的伪随机相位序列，然后这些相干场经过哈德玛德型模式变换器由正交模式|0>或|1>变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的状态。进一步地，所述的哈德玛德型模式变换器，是指一种将相干场由|0>或|1>的模式变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的变换器。进一步地，所述的模式控制门阵列组件，包括若干个分束器、若干个模式控制开关以及若干个合束器，每一个输入的相干场首先经过分束器分成若干束，分束的数量与输入场的个数相同，每一束都经过模式控制开关，然后与其他输入相干场分束出来的相干场利用合束器进行重新组合，使得每一束输出相干场包含所有的伪随机相位序列编码，并且每个正交模式上包含的伪随机相位序列由模式控制开关决定。进一步地，所述的模式控制开关，是指能控制相干场正交模式通过的器件，主要包括四种状态：控制门A(GateA)是一种将所有光模式全部关闭的光开关；控制门B(GateB)是一种通过光场模式|0>而关闭光场模式|1>的模式选择型光开关；控制门C(GateC)是一种通过光场模式|1>而关闭光场模式|0>的模式选择型光开关；控制门D(GateD)是一种全部通过光场所有模式的光开关。例如对相干光场来说，这种器件可以利用偏振片来实现。进一步地，所述的正交编码相干检测组件，包括本振信号相干场发生组件、第一分束器、第二分束器、正交伪随机码产生器、相位调制器、相干耦合器、探测器、乘法器、加法器以及电平判决器，首先利用第一分束器将输入的待测相干场分为若干束，分束的数量与伪随机序列的个数相同，然后每一束和参考场通过相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置，其特征在于，它包括：相干场发生组件(1)、分束器(2)、初始叠加态生成组件(4)、模式控制门阵列组件(5)、延时器(6)、合束器(7)、通信信道(8)、正交模式分束器(9)以及正交相位编码相干检测组件(10)；所述模式控制门阵列组件(5)由多个模式控制开关(14)组成，所述模式控制开关(14)，是指能控制相干场正交模式通过的器件；首先根据待传输的数据对模式控制门阵列组件(5)中的多个模式控制开关(14)分别进行设置；设置完成后，相干场发生组件(1)产生一束具有单一正交模式的相干场，相干场经过分束器(2)分成若干束相干场(3)；每一束相干场经过初始叠加态生成组件(4)，被调制上不同的伪随机相位序列的同时，将其单一正交模式变换为两个正交模式|0>和|1>的叠加态|0>+|1>，由此得到初始叠加态；这些处于初始叠加态的相干场经过模式控制门阵列组件(5)后，携带上待传输的数据，得到最终叠加态；然后这些处于最终叠加态的场经过延时器(6)分别进行不同延时，使得各个场先后通过合束器(7)依次送入通信信道(8)传送到目的地；到达目的地后，相干场首先被正交模式分束器(9)按照|0>和|1>正交模式分为两束场，然后分别进入正交相位编码相干检测组件(10)探测相干场所调制的伪随机相位序列存在状态，并得到最终叠加态的模式状态矩阵(21)，最后通过一种基于序列遍历机制读出方法得到这些场表示的数据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置，其特征在于，它包括：相干场发生组件(1)、分束器(2)、初始叠加态生成组件(4)、模式控制门阵列组件(5)、延时器(6)、合束器(7)、通信信道(8)、正交模式分束器(9)以及正交相位编码相干检测组件(10)；所述模式控制门阵列组件(5)由多个模式控制开关(14)组成，所述模式控制开关(14)，是指能控制相干场正交模式通过的器件；首先根据待传输的数据对模式控制门阵列组件(5)中的多个模式控制开关(14)分别进行设置；设置完成后，相干场发生组件(1)产生一束具有单一正交模式的相干场，相干场经过分束器(2)分成若干束相干场(3)；每一束相干场经过初始叠加态生成组件(4)，被调制上不同的伪随机相位序列的同时，将其单一正交模式变换为两个正交模式|0>和|1>的叠加态|0>+|1>，由此得到初始叠加态；这些处于初始叠加态的相干场经过模式控制门阵列组件(5)后，携带上待传输的数据，得到最终叠加态；然后这些处于最终叠加态的场经过延时器(6)分别进行不同延时，使得各个场先后通过合束器(7)依次送入通信信道(8)传送到目的地；到达目的地后，相干场首先被正交模式分束器(9)按照|0>和|1>正交模式分为两束场，然后分别进入正交相位编码相干检测组件(10)探测相干场所调制的伪随机相位序列存在状态，并得到最终叠加态的模式状态矩阵(21)，最后通过一种基于序列遍历机制读出方法得到这些场表示的数据。2.根据权利要求1所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的初始叠加态生成组件(4)，包括正交伪随机码产生器(11)、相位调制器(12)、以及哈德玛德型模式变换器(13)构成，正交伪随机码产生器(11)同时产生若干个正交伪随机编码，输入到若干个相位调制器(12)上，每个相位调制器的编码均不相同，每个相位调制器(12)调制不同的相干场，使得每个相干场都具有不同的伪随机相位序列，然后这些相干场经过哈德玛德型模式变换器(13)由正交模式|0>或|1>变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的状态。3.根据权利要求2所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的哈德玛德型模式变换器(13)，是指一种将相干场由|0>或|1>的模式变换成相干叠加模式(|0>±|1>)的变换器。4.根据权利要求1所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的模式控制门阵列组件(5)，包括若干个分束器(2)、若干个模式控制开关(14)以及若干个合束器(24)，每一个输入的相干场首先经过分束器(2)分成若干束，分束的数量与输入场的个数相同，每一束都经过模式控制开关(14)，然后与其他输入相干场分束出来的相干场利用合束器(24)进行重新组合，使得每一束输出相干场包含所有的伪随机相位序列编码，并且每个正交模式上包含的伪随机相位序列由模式控制开关(14)决定。5.根据权利要求4所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的模式控制开关(14)，是指能控制相干场正交模式通过的器件，主要包括四种状态：控制门A(GateA)是一种将所有光模式全部关闭的光开关；控制门B(GateB)是一种通过光场模式|0>而关闭光场模式|1>的模式选择型光开关；控制门C(GateC)是一种通过光场模式|1>而关闭光场模式|0>的模式选择型光开关；控制门D(GateD)是一种全部通过光场所有模式的光开关。例如对相干光场来说，这种器件可以利用偏振片来实现。6.根据权利要求1所述的相干场密集编码通信装置，其特征在于，所述的正交相位编码相干检测组件(10)，包括本振信号相干场发生组件(20)、第一分束器(22)、第二分束器(23)、正交伪随机码产生器(25)、相位调制器(26)、相干耦合器(15)、探测器(16)、乘法器(17)、加法器(18)以及电平判决器(19)，首先利用第一分束器(22)将输入的待测相干场分为若干束，分束的数量与伪随机序列的个数相同，然后每一束和参考场通过相干耦合器(15)进行相干叠加之后产生的两束场输入到两个探测器(16)中，产生的电信号经过乘法器(17)进行相关，然后再经过加法器(18)积分，最后输入到电平判决器(19)进行判断，当输出电平高于阈值电平则输出1，当输出电平低于阈值电平则输出0，从而判断相干场和参考场之间编码的一致性。由正交伪随机码的特性可知但两个编码一致时输出1，不一致则输出0。最后的输出结果形成模式状态矩阵(21)。参考场...

【专利技术属性】
技术研发人员：符建，
申请(专利权)人：符建，
类型：发明
国别省市：浙江,33