极化-频率两自由度编码相干态无噪声线性放大方法技术

本发明专利技术属于量子通信技术领域，具体地说，是一种极化

【技术实现步骤摘要】
极化
‑
频率两自由度编码相干态无噪声线性放大方法


[0001]本专利技术属于量子通信
，尤其涉及相干态的无噪线性放大技术，具体地说，是一种极化
‑
频率两自由度编码相干态无噪声线性放大方法。

技术介绍

[0002]由于速度快、易操作等特点，光子成为量子通信中最常用的信息载体。然而，光子在实际量子信道中传输时，易受信道噪声的影响而出现传输丢失。光子传输丢失降低通信效率，甚至威胁通信的安全性。无噪声线性放大(NLA)是解决光子传输丢失问题的有效方法。通过运行NLA方案，通信方可以概率性地提升目标光子态的保真度。常见的NLA方案是基于量子剪刀(QS)技术。而光催化(PC)技术只需要QS技术的一半数量的分束器和单光子探测器即可实现对低能量的输入光子态的NLA。并且，与QS技术相比，PC技术的成功概率更高。为了实现对连续变量量子态的放大，Ralph等人提出了并行QS或PC的思想。将连续变量FOCK态通过分束器阵列分束到多条路径上，每条路径上分别运行QS或PC放大器。当所有的QS或PC放大器都运行成功时，再将所有放大器的输出态通过分束器阵列汇聚到一条路径上，从而实现对FOCK态的放大。2020年He等人基于以上工作提出了一种基于PC并行处理频率自由度编码相干态的NLA方案。他们表明，PC
‑
NLA比QS
‑
NLA需要更少的物质资源，考虑到资源节约以及通信效率，PC
‑
NLA的后续发展非常值得期待。
[0003]相干态是一种特殊的FOCK态，在量子通信和量子计算领域具有广泛的应用。在相干态中，光子数满足高斯分布。在光子的多自由度编码(超编码)可有效提高光子的信道容量，提高量子通信的实际通信效率。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术披露了一种保护同时在极化和频率两个自由度上编码的相干态的PC并行无噪线性放大方案，能有效地提高输出相干态的平均光子数，且完美保留光子在极化和频率两自由度的编码信息，具体技术方案如下：
[0005]一种极化
‑
频率两自由度编码相干态无噪声线性放大方法，具体包括以下步骤：
[0006]步骤1：制备一个在极化、频率自由度上同时编码的相干态|α
FP
>；
[0007]步骤2：将该相干态|α
FP
>通过一个分束器阵列分束到N条空间路径中，使得每条路径上的量子态衰减为弱相干态；
[0008]步骤3：将在每条空间路径上设置一个PC放大器，并准备2个极化
‑
频率编码的辅助光子，每条路径的入射光子态和辅助光子态进入PC放大器，若有部分路径上的PC放大器没有得到成功的探测器响应情况，则丢弃掉所有的输出态，方案终止，若所有PC放大器都得到了成功的探测器响应情况，则保留所有路径上的输出态，进行下一步；
[0009]步骤4：将N条路径上PC放大器的输出态输入到第二个N阶分束器阵列，测量分束器除第一个输出端口外的所有输出寄存器内的光子数量，当上述所有寄存器内的光子数量都为零时，总放大方案成功，所有路径的输出光子将被汇聚到一条总的路径输出；
[0010]步骤5：通过调节每个PC放大器内可变分束器的透射率可有效增加总输出态的平均光子数，实现相干态的放大。
[0011]本专利技术的进一步改进在于：所述步骤一中通信方制备同时在极化和频率自由度上编码的相干态：
[0012][0013]其中，0，1，2
…
n
…
代表光子数，α代表相干态的平均光子数：
[0014][0015]其中，H和V分别代表光子的水平极化和垂直极化，ω1和ω2代表光子的两个不同的频率，上式表示相干态中的每个光子都在极化和频率自由度上具有相同的编码，两个自由度中的编码系数满足|γ1|2+|γ2|2＝1，|δ0|2+|δ1|2＝1，四个系数都为复数。
[0016]本专利技术的进一步改进，所述步骤2中，通信方将该相干态通过第一个分束器阵列分束到N条路径上，通过量子信道传输至通信方2。
[0017]本专利技术的进一步改进，相干态经过第一个分束器阵列后分成N条路径(N较大)，每条路径上得到的相干态为弱相干态，其形式为：
[0018][0019]由于N较大，因此，可以忽略其高阶项，将上述弱相干态的表示为：
[0020]|α'
FP
>＝C0|0>+C1|1
FP
>，
[0021]其中，
[0022]本专利技术的进一步改进，所述步骤3中，每条路径上准备1个PC放大器及2个辅助光子，PC放大器由2个极化分束器(PBS)，2个透射率为T的可变分束器(VBS)以及2个homodyne光子探测器构成。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。当一个量子态为γ1|ω1>+γ2|ω2>的光子进入homodyne光子探测器时，探测器发生响应，其响应概率为100％。2个辅助光子的量子态为表示该2个辅助光子都具有与入射光子相同的频率编码，同时，一个光子的极化态为|H>，另一个光子的极化态为|V>。
[0023]本专利技术的进一步改进，PC放大器内，入射光子通过PBS后，水平极化和垂直极化的光子分别进入路径2和3中。路径2中的光子与量子态为|H>(γ1|ω1>+γ2|ω2>)的辅助光子进入1个VBS，路径3中的光子与量子态为|V>(γ1|ω1>+γ2|ω2>)的辅助光子进入第2个VBS。当homodyne探测器D1和D2各探测到一个光子时，PC放大器运行成功。
[0024]本专利技术的进一步改进，PC放大器内，当输入态为空态时，只有辅助光子进入PC放大
器。因此，PC放大器的总光子态为：
[0025][0026]上式中，只有|H>5|V>7这一项会产生成功的探测器响应情况(homodyne探测器D1和D2各探测到一个光子)，当输入态为空态时，PC放大器的成功概率为|C0|2T2，输出态为空态。
[0027]当输入态为单光子态时，输入态和辅助光子态同时进入PC放大器，则PC放大器内的总光子态为：
[0028][0029]当PC放大器运行成功时，上式可塌缩为：
[0030][0031]最后，再将路径8和9上的光子通过第二个PBS，可得到PC放大器成功时的输出态为
[0032](δ0|H>
10
+δ1|V>
10
)(γ1|ω1>+γ2|ω2>)＝|1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极化
‑
频率两自由度编码相干态无噪声线性放大方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：制备一个在极化、频率自由度上同时编码的相干态|α
FP
>；步骤2：将该相干态|α
FP
>通过一个分束器阵列分束到N条空间路径中，使得每条路径上的量子态衰减为弱相干态；步骤3：在每条空间路径上设置一个PC放大器，并设置2个极化
‑
频率编码的辅助光子，每条路径的入射光子态和辅助光子态进入PC放大器，若有部分路径上的PC放大器没有得到成功的探测器响应情况，则丢弃掉所有的输出态，方案终止，若所有PC放大器都得到了成功的探测器响应情况，则保留所有路径上的输出态，进行下一步；步骤4：将N条路径上光催化(PC)放大器的输出态输入到第二个N阶分束器阵列，测量分束器除第一个输出端口外的所有输出寄存器内的光子数量，当上述所有寄存器内的光子数量都为零时，总放大方案成功，所有路径的输出光子将被汇聚到一条总的路径输出；步骤5：调节每个PC放大器内可变分束器的透射率，增加总输出态的平均光子数，实现相干态的放大。2.根据权利要求1所述的极化
‑
频率两自由度编码相干态无噪声线性放大方法，其特征在于，所述步骤一中通信方制备同时在极化和频率自由度上编码的相干态：其中，0，1，2
…
n
…
代表光子数，α代表相干态的平均光子数：其中，H和V分别代表光子的水平极化和垂直极化，ω1和ω2代表光子的两个不同的频率，上式表示相干态中的每个光子都在极化和频率自由度上具有相同的编码，两个自由度中的编码系数满足|γ1|2+|γ2|2＝1，|δ0|2+|δ1|2＝1，四个系数都为复数。3.根据权利要求1所述的极化
‑
频率两自由度编码相干态无噪声线性放大方法，其特征在于，相干态经过第一个分束器阵列后分成N条路径，每条路径上得到的相干态为弱相干态，其形式为：将上述弱相干态的表示为：|α'
FP
>＝C0|0>+C1|1
FP
>，其中，4.根据权利要求1所述的极化
‑
频率两自由度编码相干态无噪声线性放大方法，其特征在于，所述步骤3中，每条路径上准备1个PC放大器及2个辅助光子，PC放大器由2个极化分束器，2个透射率为...

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