三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法技术

本发明专利技术公开了一种三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，通信方1制备一个在极化和双纵向动量三个自由度上同时独立编码的单光子比特，将该信号光子通过量子信道传输至通信方2；通信方2使用参量下转换纠缠源产生的不完美纠缠态作为辅助，在4个空间模式上设置放大器，将信号光子和辅助光子通入放大器进行放大；根据每个放大器内光子探测器响应情况判定放大结果；计算三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法成功概率、输出态中目标态的保真度和放大因子。本发明专利技术能有效保护单光子比特避免其在长距离传输中出现光子丢失并完美保留单光子在三个自由度上的编码信息，操作便捷、且在当前实验条件下可以实现，具有高实用性并易推广。

【技术实现步骤摘要】
三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法
本专利技术涉及一种三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，属于量子通信技术无噪声线性放大

技术介绍
在通信过程中，最为重要的是信息的安全和完整，此要求同样适用于量子通信。现有技术中，远程量子通信的主要阻碍便是光子在信道中传输时可能出现传输丢失，使得光子在光纤中的传播随着信道长度的增加呈指数衰减。由于量子的不可克隆定理的存在，量子态无法被准确复制，进而使得光子的传输存在一个极限的距离。另外，即使在极限距离之内，光子也有一定的概率发生丢失，这将使得单光子态变成一定概率的单光子和空态的混合态。在传输距离之内，光子丢失不仅严重影响量子通信的成功率保真度，而且影响其安全性。无线噪声线性放大(NLA)方案是解决光子传输丢失问题的有效方法，该方法由Ralph和Lund在2009年首次提出。2010年，Gisin等人提出一种基于单光子源的NLA单量子比特放大器，并将其用于与设备无关的量子密钥分配(DI-QKD)以克服传输损耗，开启了NLA已经被用于DI-QKD的大门。2011年，Zhang等人提出了保护单光子双模空间纠缠态(SPE)的NLA方案。2015年，Zhou等人利用交叉Kerr介质提出了第一个针对SPE的可循环NLA方案。通过循环使用该NLA方案，能有效地提高方案的总成功概率和目标SPE的保真度。在实验方面，2012年，Osorio等人在线性光学系统中实验实现了单光子比特的无噪声放大。2017年，Monteiro等人实现了SPE的NLA，克服了DI-QKD过程中的传输损耗和退相干。超编码技术指同时在光子的多个自由度独立地进行编码，能够有效提高单光子的信道容量，进而提高量子通信的通信效率，已成为量子通信领域的重要资源。单光子编码的维度越高，单光子的信道容量越大，对提高量子通信效率越有利。近年来，Vallone研究组成功地在实验室中制备出同时在极化、双纵向动量等三个自由度上编码的单光子比特，该三自由度编码光子在远程量子通信领域具有重要的应用前景，已被应用到了与测量设备无关的量子密钥分配(QKD)以及量子安全直接通信(QSDC)中。然而，高维超编码的单光子在信道中传输的过程中仍然面临光子丢失问题。现有的NLA方案中还没有能够保护在极化、双纵向动量等三个自由度上编码的单光子比特。这极大地限制了基于该量子比特的量子通信协议的发展。因此，研究保护同时在极化、双纵向动量等三个自由度上编码的单光子比特的NLA方案对于未来高容量量子通信的发展具有重要意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于提供一种基于现有实验条件中常用的光源和线性光学器件，通过局域操作提高同时在极化和双纵向动量三个自由度上编码的单光子比特的保真度，并完美保留该量子比特在三个自由度上的编码信息的无噪声线性放大方法。技术方案：本专利技术的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，包括以下步骤：步骤1：通信方1制备一个在极化和双纵向动量三个自由度上同时独立编码的单光子比特，作为信号光子；步骤2：通信方1将步骤1中所得信号光子通过量子信道传输至通信方2；步骤3：通信方2使用自发参量下转化纠缠源(SPDC源)产生的不完美纠缠态作为辅助，在|RE>，|RI>，|LI>和|LE>，分别表示右外，右内，左内，左外，4个空间模式上设置放大器，将4个空间模式上的信号光子和辅助光子通入放大器进行放大；步骤4：根据放大器中光子探测器响应，判定放大结果，当所有放大器中的放大均成功时，判定放大成功；步骤5：计算三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方案的成功概率、输出态中目标态的保真度和放大因子。其中，通信方1为信息发送方，通信方2为信号接收方。进一步的，步骤1中，所述单光子比特形式为|H>和|V>分别表示光子的水平极化和垂直极化，|L>，|R>，|l>和|E>分别表示光子左部、右部、内部和外部的空间模式，α,β,δ；η,ε,v表示三个自由度上的编码系数，信息内容由上述光子的极化和双纵向动量单光子态编码组成。进一步的，所述编码系数满足|α|2+|β|2＝1，|δ|2+|η|2＝1，|ε|2+|v|2＝1的条件，优选编码系数均为实数用于简化运算。步骤2中，由于信道噪声的存在，光子比特有概率发生丢失，所述通信方2接受到量子态为混合态，其表达式为ρin＝F|Ψ><Ψ|+(1-F)|vac><vac|，其中|vac>为空态。步骤3中，所述放大器包括6个极化分束器(PBS)、2个透射率为t的可变分束器(VBS)、2个50:50分束器(BS)、1个半波片(HWP)、1个SPDC源和8个光子探测器。PBS的功能为完全透射水平偏振光子(|H>)，完全反射垂直偏振光子(|V>)。VBS的功能为以t的概率透射光子，以(1-t)的概率反射光子。BS的功能为以50％的概率透射光子，50％的概率反射光子。HWP的功能为对光子的极化特性进行翻转。为提高接收到的混合态中目标单光子比特的保真度，通信方2使用当前实验条件下常用的SPDC源产生不完美纠缠光子态作为辅助态，所述SPDC源产生辅助光子态为其中代表空态，代表产生了一对纠缠光子，代表产生了两对纠缠光子。将每个空间模式下的信号光子和辅助光子通入放大器执行放大操作，所述任一放大器内有4种光子探测器响应情况对应放大成功，即D2D8、D2D5、D3D8或D3D5光子探测器各探测到一个光子。信号光子输入态合并辅助光子态得到以下5种情况：a)辅助态为空态，无论输入态为空态或非空态，无法使所有放大器均得到成功的探测器响应情况；此情况可自动被排除；b)辅助光子为单光子对，输入态为单光子，在所有放大器均得到成功的探测器响应情况时，得到输出态为目标态；c)辅助光子为单光子对，输入态为空态，在所有放大器均得到成功的探测器响应情况时，得到输出态为空态；d)辅助光子为双光子对，输入态为单光子，在所有放大器均得到成功的探测器响应情况时，得到输出态为干扰态；e)辅助光子为双光子对，输入态为空态，在所有放大器均得到成功的探测器响应情况时，得到输出态为干扰态。通信方2对所有放大器均得到成功的探测器响应情况对应的输出态执行保留操作，对其余输出态执行舍弃操作。当输入态为单光子，且每个放大器内的SPDC源均产生单光子对时，输出态可完美保留输入态在三个自由度上的编码信息，即为目标态。步骤3中，所述放大器通过调节可变分束器(VBS)的透射率t，可提高目标态的保真度。步骤5中，所述成功概率、保真度和放大因子的计算均基于步骤4中探测器的响应结果。相较于现有技术中指示单光子源产生的不完美单光子态作为辅助态需要产生2个单光子态作为辅助，本方法中各放大器只需要SPDC源一次产生一对纠缠光子态作为辅助态，进一步的，本专利技术放大方法的成功概率更高。即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：通信方1制备一个在极化和双纵向动量三个自由度上同时独立编码的单光子比特，作为信号光子；/n步骤2：通信方1将步骤1中制备的信号光子通过量子信道传输至通信方2；/n步骤3：通信方2使用当前实验中常用的参量下转换纠缠源-SPDC源产生的纠缠态作为辅助，在|RE>，|RI＞，|LI＞和|LE>，分别表示右外，右内，左内，左外，4个空间模式上设置放大器，将信号光子和辅助光子通入放大器进行放大；/n步骤4：根据放大器中光子探测器响应情况，判定放大结果；/n步骤5：计算三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方案的成功概率、输出态中目标态的保真度和放大因子。/n

【技术特征摘要】
1.一种三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通信方1制备一个在极化和双纵向动量三个自由度上同时独立编码的单光子比特，作为信号光子；
步骤2：通信方1将步骤1中制备的信号光子通过量子信道传输至通信方2；
步骤3：通信方2使用当前实验中常用的参量下转换纠缠源-SPDC源产生的纠缠态作为辅助，在|RE>，|RI＞，|LI＞和|LE>，分别表示右外，右内，左内，左外，4个空间模式上设置放大器，将信号光子和辅助光子通入放大器进行放大；
步骤4：根据放大器中光子探测器响应情况，判定放大结果；
步骤5：计算三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方案的成功概率、输出态中目标态的保真度和放大因子。


2.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，步骤1中，所述单光子比特形式为



|H>和|V>分别表示光子的水平极化和垂直极化|L>、|R>、|l>和|E>分别表示光子左部、右部、内部和外部的空间模式，α,β,δ；η,ε,v表示三个自由度上的编码系数，所述编码系数满足|α|2+|β|2＝1，|δ|2+|η|2＝1，|ε|2+|v|2＝1的条件。


3.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，步骤2中，所述通信方2接受到量子态为混合态，其表达式为ρin＝F|Ψ><Ψ|+(1-F)|vac><vac|，其中|vac>为空态。


4.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，步骤3中，所述放大器包括6个极化分束器、2个透射率为t的可变分束器、2个50:50分束器、1个半波片、1个SPDC源和8个光子探测器。

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