使用非理想辅助光源的高效量子态无噪线性放大方法技术

本发明专利技术公开了使用非理想辅助光源的高效量子态无噪线性放大方法，光子接收方使用当前实验条件下的指示单光子源产生的不完美单光子态作为辅助，通过运行基于局部压缩的高效量子剪刀方案对输入的单光子态进行无噪线性放大。我们证明不完美辅助态中的双光子成分也有一定的概率能使得量子剪刀方案运行成功，并得到目标输出态，因此可增加放大的总成功高概率。本发明专利技术只用到一些常见的线性光学设备，并且使用非理想辅助光源，在现有实验条件下更容易实现，具有较强的应用性。具有较强的应用性。具有较强的应用性。

【技术实现步骤摘要】
>
BC
；
[0009]步骤3：先考虑入射光子没有丢失的情况，A和C两个空间模式的光子同时通过一个50∶50分束器；分束器的两个出射端口分别放置单光子探测器D1和单光子探测器D2对出射光子进行探测；只有当探测器D1和探测器D2中仅有一个探测器响应时，方案运行成功，进行下一步；若两个探测器都响应或都不响应，则方案运行失败；
[0010]步骤4：接收方Alice获取可变分束器的反射端口B输出的量子态作为输出态，当辅助光子为单光子时，输出态为单光子态，当辅助光子为双光子时，输出态为双光子态；
[0011]步骤5：当入射光子丢失时，整个量子剪刀装置的输入态为真空态；此时只有辅助光子进入系统；在系统得到成功的探测器响应情况下，当辅助光子为单光子时，输出态为真空态，当辅助光子为双光子时，输出态为单光子态；
[0012]步骤6：量子剪刀放大装置的输出态为
[0013]ρ
out
＝α|0>
out out
<0|+β|1>
out out
<1|+γ|2>
out out
<2|；其中，α+β+γ＝1，β为输出态中目标单光子态的保真度；当β＞η时，实现高效量子态无噪线性放大。
[0014]进一步地，步骤1中，ρ
in
＝η|1>
AA
<1|+(1
‑
η)|v
ac
>
AA
<v
ac
|代表输入光子有η的概率没有丢失，1
‑
η的概率丢失。
[0015]进一步地，步骤2中，局域压缩算符的作用为：
[0016][0017][0018][0019][0020]所以辅助光子通过压缩后的量子态表示为：
[0021][0022][0023][0024]在空间模式C施加压缩算符后，该空间模式下的光子数记为k。当在空间模式C下同时对两个光子使用压缩算符时，两个光子经过压缩算符作用后产生的光子数分别记为k和k
′
。进一步地，步骤4中，当入射光子未传输丢失，且辅助光子为单光子时，系统的总量子态为：
[0025][0026]忽略空间模式C下的多光子项，此时系统的总量子态塌缩为：
[0027][0028]经过BS分束器后的系统总量子态为：
[0029][0030]其中，d1、d2空间模式分别设置单光子探测器D1，D2对出射光子进行探测；成功的探测器响应情况如下：
[0031]第一类是只有探测器D1探测到一个光子，即|10>
d1d2
；
[0032]第二类是只有探测器D2探测到一个光子，即|01>
d1d2
；
[0033]当探测器成功响应时，|φ2>塌缩为|φ3>＝|1>
B
，即此时输出态为|1>
B
。
[0034]当入射光子未传输丢失，且辅助光子为双光子时，系统的总量子态为：
[0035][0036][0037]忽略空间模式C下的多光子项，此时系统的总量子态塌缩为：
[0038][0039]经过BS分束器后的系统总量子态为：
[0040][0041]若得到前面提到的任意一种探测器成功响应情况，系统的输出态将塌缩为|φ6>＝|2>
B
。
[0042]得到输出态|φ3>的概率为得到输出态|φ6>的概率为
[0043]进一步地，步骤5中，当入射光子发生了传输丢失，且辅助光子为单光子时，输入态为空态，则系统的总状态为：
[0044][0045]忽略空间模式C下的多光子项，此时系统的总量子态塌缩为：
[0046][0047]经过BS分束器后的系统总量子态为：
[0048][0049]若得到前面提到的任意一种探测器成功响应情况，系统的输出态将塌缩为|φ9>＝|0>
B
。
[0050]当入射光子发生了传输丢失，且辅助光子为双光子时，若输入态为空态，则系统的总状态为：
[0051][0052]忽略空间模式C下的多光子项，此时系统的总量子态塌缩为：
[0053][0054]经过BS分束器后的系统总量子态为：
[0055][0056]若得到前面提到的任意一种探测器成功响应情况，系统的输出态将塌缩为|φ
12
>＝|1>
B
。
[0057]得到输出态为空态的概率为得到输出态|φ
12
>的概率为
[0058]进一步地，以η的概率输入光子没有丢失的情况下，成功概率为：以1
‑
η的概率光子丢失的情况下，其成功概率为：则总的成功概率为：
[0059][0060]进一步地，输出态的保真度大于输入态的保真度时，放大成功，成功后的保真度为：
[0061][0062]则当β＞η时，实现对原入射态的放大。
[0063]相应地，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据上述的方法中的任一方法。
[0064]相应地，一种计算设备，包括：
[0065]一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据上述的方法中的任一方法的指令。
[0066]本专利技术所达到的有益效果：在传统量子剪刀中引入局域操作，可有效提高方案的总成功概率；使用当前实验条件下的指示单光子源，降低了对辅助光子源的要求，增强了量子剪刀NLA方案的实用性；辅助光子态中的双光子成分有一定概率使得输出态为目标单光子态，进一步提高方案的成功概率。
附图说明
[0067]图1为本专利技术的量子态放大示意图；
[0068]图2为本专利技术的单光子放大原理示意图。
具体实施方式
[0069]下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术
的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0070]本专利技术的使用非理想辅助光源的高效量子态无噪线性放大方法，如图2所示，光源S0产生一个初始的量子态|φ0>＝|1>，再通过噪声信道发送给远距离接收方Alice，光子态传输到Alice处的空间模式A，其量子态会退化成为ρ
in
＝η|1>
AA
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.使用非理想辅助光源的高效量子态无噪线性放大方法，其特征在于，包括：步骤1：光源S0产生目标单光子态|φ0>＝|1>，并通过噪声信道发送给远距离接收方Alice；光子态传输到Alice处的空间模式A，其量子态退化为ρ
in
＝η|1>
AA
<1|+(1
‑
η)|v
ac
>
AA
<v
ac
|；其中，|v
ac
>
A
代表光子在光子传输过程中丢失，导致空间模式A处的量子态为真空态；ρ
in
作为整个量子剪刀放大方案的输入态，η为光子在信道中的传输效率，η＝e
‑
αL/10
，α为衰减系数，在目前实验条件下的标准光纤中，α＝0.2dB/km，L为传输距离；步骤2：在量子剪刀放大装置中，接收方Alice使用非理想辅助光源S1在空间模式C产生辅助光子混合态ρ
aux
＝P|1>
CC
<1|+P2|2>
CC
<2|，其中P为辅助光源产生单光子的概率；辅助单光子通过一个透射率为t的可变分束器得到量子态其中0＜t＜1；辅助双光子通过上述可变分束器得到量子态器得到量子态接收方Alice对VBS透射端C模式的光子施加局部压缩算符分别得到辅助态|ψ
′1>
BC
和|ψ
′2>
BC
；步骤3：先考虑入射光子没有丢失的情况，A和C两个空间模式的光子同时通过一个50：50分束器；分束器的两个出射端口分别放置单光子探测器D1和单光子探测器D2对出射光子进行探测；只有当探测器D1和探测器D2中仅有一个探测器响应时，方案运行成功，进行下一步；若两个探测器都响应或都不响应，则方案运行失败；步骤4：接收方Alice获取可变分束器的反射端口B输出的量子态作为输出态，当辅助光子为单光子时，输出态为单光子态，当辅助光子为双光子时，输出态为双光子态；步骤5：当入射光子丢失时，整个量子剪刀装置的输入态为真空态；此时只有辅助光子进入系统；在系统得到成功的探测器响应情况下，当辅助光子为单光子时，输出态为真空态，当辅助光子为双光子时，输出态为单光子态；步骤6：量子剪刀放大装置的输出态为ρ
out
＝α|0>
out out
<0|+β|1>
out out
<1|+γ|2>
out out
<2|；其中，α+β+γ＝1，β为输出态中目标单光子态的保真度；当β＞η时，实现高效量子态无噪线性放大。2.根据权利要求1所述的使用非理想辅助光源的高效量子态无噪线性放大方法，其特征在于，步骤1中，ρ
in
＝η|1>
AA
<1|+(1
‑
η)|v
ac
>
AA
<v
ac
|代表输入光子有η的概率没有丢失，1
‑
η的概率丢失。3.根据权利要求1所述的使用非理想辅助光源的高效量子态无噪线性放大方法，其特征在于，步骤2中，局域压缩算符的作用为：征在于，步骤2中，局域压缩...

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