【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于量子信息、量子通信、光量子技术、集成光量子，具体涉及一种实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络。
技术介绍
1、量子力学中量子纠缠和叠加的特性保证了量子信息处理(如量子计算、量子通信和量子计量学)在本质上比经典信息处理更为强大。作为量子信息的载体，光子可以被编码在各种自由度中，包括偏振、路径、频率和轨道角动量。特别是，光子的频率自由度对于其与现有光纤基础设施的兼容性而极具吸引力。频率自由度的复用不仅可以提高经典通信中的数据传输速率，还可以为量子网络提供广泛的连接性。迄今为止，已经开发了具有可信中继或主动/被动路由的各种拓扑结构的量子网络。其中，基于在每个用户之间共享纠缠的完全和同时连接的量子网络方案由于其可扩展性和可集成性而具有潜在的前景。
2、然而，大多数这些演示是通过分配额外的暗光纤链路来保护脆弱的量子态而实现的，在实际环境中分发纠缠光子，不可避免的存在来自经典光的噪声，噪声与量子态的相互作用最终会降低通道容量，从而成为量子通信密钥率和距离的限制因素，这阻碍了该技术向更大规模的扩展。因此在现有光纤网络中以可扩展且稳健的方式构建多用户之间的通信链路是实现大规模量子通信的核心任务之一。
技术实现思路
1、解决的技术问题：本专利技术提供了一种实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，提出在偏振纠缠光子对中引入频率相关的量子关联性，从而显著增强了纠缠光子对噪声的容忍度；同时，通过设计加工具有高模态重叠的半导体芯片，直接产生宽带偏振纠缠，利用量子关
2、技术方案：
3、一种实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，所述多用户纠缠分发量子网络包括网络用户共享纠缠光子对源、波长分配模块、光纤链路和偏振分析模块；
4、所述网络用户共享纠缠光子对源在偏振纠缠光子对中引入频率相关的量子关联性，通过频率关联将纠缠光子从噪音中提取出来；
5、所述波长分配模块根据频率自由度选择不同频率的纠缠光子对经过含噪声的光纤链路发送给特定用户对，使每个用户随机选择测量基矢，利用偏振分析模块进行偏振编解码，从噪声光子中提取信号光子，使用单光子探测器探测光子建立安全密钥，对信息进行安全共享。
6、进一步地，所述网络用户共享纠缠光子对源包括激光器、单模光纤、偏振控制器、波分复用器、密集波分复用器和纠缠光子对源芯片；
7、所述单模光纤耦合激光器部分功率分给光谱分析仪进行波长校准，所述偏振控制器在注入纠缠光子对源芯片之前对泵浦光的偏振进行调整，以使激光器泵浦纠缠光子对源芯片产生频率和偏振自由度的纠缠光子对，产生的量子态形式为：
8、
9、式中，n是所产生频率对的总数，|h>/|v>表示水平或垂直偏振态，|ωs，n>|ωi，n>表示第n个频率对的信号或闲频光子的频率态，并且满足能量守恒条件；n＝1，2，...，n；
10、所述波分复用器滤出纠缠光子对源芯片输出中的泵浦光作为电机的反馈信号，并采用爬坡算法在不稳定的实验室条件下优化耦合；纠缠光子和外部噪声通过密集波分复用器复用到同一光纤链路中；纠缠光子对在有噪音的光纤链路上传输被视为频率关联光子对中每个频率的光子拥有单独传输链路并对其进行单独测量。
11、进一步地，所述纠缠光子对源芯片采用非理想的四分之一波长布拉格反射波导，包括绝缘体上硅、氧化硅、氮化硅、铌酸锂、砷化镓和铝镓砷；
12、其中，结构为厚度为230nm的al0.17ga0.83as核心层被交替的127nm厚al0.28ga0.72as层、622nm厚al0.72ga0.28as层组成的六周期bragg结构夹在中间，宽度为5.1μm，刻蚀深度为4.15μμm，长度为4mm。
13、进一步地，所述光纤链路上的噪声包括多光子对产生、背景光子、经典光、拉曼散射、不完美测量。
14、进一步地，所述波长分配模块包括相互连接的波长选择开关和波分复用器件，用于对光子对源信号光子和闲频光子的光谱进行后选择，根据不同需求调制光谱的带宽和波长间隔。
15、进一步地，所述用户选择测量基矢的方式包括采用光开关主动选取和采用分束器被动选取两种。
16、进一步地，所述偏振分析模块包括四分之一波片、半波片、不等臂保偏干涉仪、单光子探测器和时间标签模块；半波片和四分之一波片将光子投影到z基或x基两组基矢上；z基的本征基矢为|h>/|v>，x基的本征基矢为|a>/|d>；
17、在不等臂保偏干涉仪中，两个正交的偏振态连接到不同长度的保偏光纤上，转换成到达时间的不同的|h>光子和|v>光子，并通过两个光纤长度的不同的不平衡的保偏干涉仪引入z基和x基的基础相关延迟，将四个偏振态转换为时间延迟，使单光子探测器在一个数据积累中获得4个配置中的符合计数；其中，每个波长通道添加有延迟，使每个用户只采用一个单光子探测器进行频率分辨探测；
18、所述时间标签模块用于收集记录单光子探测器信号。
19、进一步地，所述单光子探测器包括光电倍增管、雪崩光电探测器和超导单光子探测器。
20、进一步地，所述时间标签模块包括基于现场可编程逻辑门阵列的时间标签模块和基于专用集成电路的时标签模块两种。
21、进一步地，安全共享的信息类型包括量子图像加密、量子秘密共享、量子会议、量子数字签名。
22、有益效果：
23、第一，本专利技术的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，针对含噪光纤链路中纠缠光子分发问题，提出在偏振纠缠光子对中引入频率相关的量子关联性，通过频率关联可以将纠缠光子从噪音中提取出来，可显著增强纠缠光子远距离分发对光纤链路中噪声的容忍度。
24、第二，本专利技术的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，基于频率关联的偏振纠缠光子对源，利用频率关联实现纠缠光子的抗噪性，实现了一个抗噪的多用户纠缠分发量子网络。相比其他纠缠分发量子网络，良好的抗噪性使得该量子网络更加适应实际部署中复杂的环境，实现更广的覆盖范围。
25、第三，本专利技术的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，结合频率复用和时间复用技术，将不同频率的偏振态转换为不同的时间延时态，可将网络中每个用户的单光子探测器数量减少到一个，极大的降低了网络部署的资源消耗和成本。
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1.一种实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述多用户纠缠分发量子网络包括网络用户共享纠缠光子对源、波长分配模块、光纤链路和偏振分析模块；
2.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述网络用户共享纠缠光子对源包括激光器、单模光纤、偏振控制器、波分复用器、密集波分复用器和纠缠光子对源芯片；
3.根据权利要求2所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述纠缠光子对源芯片采用非理想的四分之一波长布拉格反射波导，包括绝缘体上硅、氧化硅、氮化硅、铌酸锂、砷化镓和铝镓砷；
4.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述光纤链路上的噪声包括多光子对产生、背景光子、经典光、拉曼散射、不完美测量。
5.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述波长分配模块包括相互连接的波长选择开关和波分复用器件，用于对光子对源信号光子和闲频光子的光谱进行后选择，根据不同需求调制光谱的带宽和波
6.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述用户选择测量基矢的方式包括采用光开关主动选取和采用分束器被动选取两种。
7.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述偏振分析模块包括四分之一波片、半波片、不等臂保偏干涉仪、单光子探测器和时间标签模块；半波片和四分之一波片将光子投影到Z基或X基两组基矢上；Z基的本征基矢为|H>/|V>，X基的本征基矢为|A>/|D}；
8.根据权利要求7所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述单光子探测器包括光电倍增管、雪崩光电探测器和超导单光子探测器。
9.根据权利要求7所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述时间标签模块包括基于现场可编程逻辑门阵列的时间标签模块和基于专用集成电路的时标签模块两种。
10.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，安全共享的信息类型包括量子图像加密、量子秘密共享、量子会议、量子数字签名。
...【技术特征摘要】
1.一种实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述多用户纠缠分发量子网络包括网络用户共享纠缠光子对源、波长分配模块、光纤链路和偏振分析模块；
2.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述网络用户共享纠缠光子对源包括激光器、单模光纤、偏振控制器、波分复用器、密集波分复用器和纠缠光子对源芯片；
3.根据权利要求2所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述纠缠光子对源芯片采用非理想的四分之一波长布拉格反射波导，包括绝缘体上硅、氧化硅、氮化硅、铌酸锂、砷化镓和铝镓砷；
4.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述光纤链路上的噪声包括多光子对产生、背景光子、经典光、拉曼散射、不完美测量。
5.根据权利要求1所述的实用化抗噪量子关联辅助的多用户纠缠分发量子网络，其特征在于，所述波长分配模块包括相互连接的波长选择开关和波分复用器件，用于对光子对源信号光子和闲频光子的光谱进行后选择，根据不同需求调制光谱的带宽和波长间隔。
【专利技术属性】
技术研发人员：牛斌，孔月婵，陈堂胜，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：
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