一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法技术

本发明专利技术提供一种时间—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：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；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；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，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；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。

An entanglement assisted noise free linear amplification method for time polarized super entangled states

【技术实现步骤摘要】
一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法
本专利技术涉及量子通信
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术提供一种时间—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。本专利技术的有益效果是：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是本专利技术的方法流程示意图。图2是本专利技术的放大器单元的结构原理图。图3是本专利技术的无噪线性放大方案原理图。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合实施例对本专利技术作进一步的详述，本实施例仅用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术保护范围的限定。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>。用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，其特征在于：所述方法步骤如下：/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，其特征在于：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。


2.如权利要求1所述的一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，其特征在于：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。


3.如权利要求1所述的一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，其特征在于：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。


4.如权利要求1所述的一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，其特征在于：所述步骤三中信息态和辅助态进入放...

【专利技术属性】
技术研发人员：周澜，李宇鹏，盛宇波，钟伟，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32