一种半设备无关的量子态层析方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的量子态层析方法，涉及量子计算、量子通信以及量子测量技术领域，可以大大降低现有方法中对测量仪器的要求。利用自发参量下转换制备双光子源，通过Hong.Ou.Mandel干涉构建联合测量算符以实现对双光子的联合测量。双光子由一个待重构量子态与一个辅助态构成，只需制备一组信息完备的可信辅助态以及提供一个测量算符即可实现对未知态的重构，实现了半设备无关的量子态层析。同时，本发明专利技术此可以扩展到量子过程层析等其他量子信息处理领域。

【技术实现步骤摘要】
一种半设备无关的量子态层析方法
本专利技术涉及量子计算、量子通信以及量子测量
，尤其涉及一种基于半设备无关的量子态层析方法。
技术介绍
量子态层析技术在量子信息领域中充当着重要的角色。尤其是在面临根据对量子信息处理设备的输入与输出态进行完全而精确的测量从而去衡量量子信息处理设备的性能时显得尤为重要。量子态层析技术就是此类问题基本的解决方案。在量子态层析技术中，可以根据量子系统所产生输出的统计结果特性去重构出一个未知态。态层析技术包括两个方面，首先是系统的测量，其次是数据的处理。针对系统的测量，科学家们提出了设备相关等态层析方案。然而，在设备相关方案当中，测量设备被要求是信息完备的，即常常需要多个测量算符才可以重构出一个未知态。由于实验上很难制备复杂的测量算符，这就限制了态层析技术的发展。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种半设备无关的量子态层析方法，该方法只需要制备一个测量算符而不是一组测量算符，同时，采用辅助态的信息完备性来取代算符的信息完备性即可对未知态进行重构。即通过一组信息完备的辅助态以及一个测量算符对未知态进行重构，可以大大降低现有方法中对测量仪器的要求。技术方案：为实现本专利技术的目的，所采用的技术方案是：一种半设备无关的量子态层析方法，包括参量光源的制备部分以及基于Hong.Ou.Mandel(HOM)干涉的联合测量部分；其中参量光源的制备部分利用激光通过非线性晶体泵浦产生自发参量下转换过程制备光子对；将两个光子分开作为HOM干涉的两路输入，一路进行辅助态的制备，另一路进行待测量子态的制备；基于HOM干涉的联合测量部分包括两块1/2玻片、两块1/4波片、两个偏振分束器PBS以及一个光分束器BS；在HOM干涉的两路输入中，一路为辅助态，另一路为待测量子态即目标态；两路光信号分别从偏振分束器PBS经过1/2波片与1/4波片，然后作为光分束器BS的输入打到BS上；通过1/2波片与1/4波片制备任意偏振的待测量子态与辅助态；将1/2波片与1/4波片分别旋转到一定角度以构建一组层析完备的辅助态；利用HOM干涉产生的联合测量算符与信息完备的辅助态，通过参数估计法实现对量子态的层析，还原待测量子态的具体形式。进一步的，HOM干涉所使用的BS透射率范围是(0.42,0.58)。优选的，HOM干涉中用来进行态制备中的1/2波片和1/4波片均为真零级。优选的，将1/2波片与1/4波片分别旋转到(0,0),(45,0),(-22.5,45),(0,45)角度以构建一组层析完备的辅助态。进一步的，HOM干涉的输出端使用单光子探测器作为测量设备，测量符合计数。有益效果：本专利技术使用半设备无关的方案进行量子态层析实现对未知态的还原。相较需要一组层析完备测量算符的设备相关的方案来说，本方案只需要提供一个测量算符，同时利用一组信息完备的辅助态替代一组信息完备的测量算符即可实现对未知态的重构。由于态的制备比算符的制备简易的多，因此，本专利技术更为容易地实现对未知态的还原。同时，本专利技术利用HOM干涉进行测量算符的制备，此技术发展历史较长，并且集成度高，便于模块化，利于级联扩展使用。装置操作简单实用，对环境情况要求低，可以对任意的单光子态进行还原，实验结果表明本专利技术在各方面都具有良好的表现。附图说明图1是本专利技术的基于HOM干涉的联合测量装置图；图2是本专利技术的参量光源制备实验装置图；图3是本专利技术的HOM干涉的一般模型示意图；图4是本专利技术在Bloch球上选取态进行实验之后的重构效果。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。本实施例提供了一种半设备无关的量子态层析方法，包括参量光源的制备部分以及基于HOM干涉的联合测量部分。参量光源的制备部分利用激光通过非线性晶体泵浦产生自发参量下转换过程制备光子对；基于Hong.Ou.Mandel(HOM)干涉的联合测量部分采用双光子源，包括两块1/2玻片、两块1/4波片、两个偏振分束器(PBS)以及一个光分束器(BS)。在HOM干涉的两路输入中，一路为待测量子态即目标态，另一路为辅助态；两路光信号分别从PBS经过1/2波片与1/4波片，然后作为BS的输入打到BS上；通过1/2波片与1/4波片制备任意偏振的待测量子态与辅助态。图1为基于HOM干涉的联合测量装置图。BS的两路输入端各放置一块PBS以保证透过的光子为水平偏振状态，在每一路的PBS与BS之间放入一个1/2波片和1/4波片用于制备目标态(待测量子态)，其中一路进行待重构的量子态的制备，另一路用来制备信息完备的辅助态。HOM干涉中用来进行态制备的1/2波片与1/4波片要求是真零级的，以保证在旋转波片的过程中不会因为光程差的变化影响HOM干涉的干涉可见度。HOM干涉中所使用的BS透射率在(0.42,0.58)范围内，该数据范围通过理论推导，同时根据实验经验得出，以保证理论上的HOM干涉度可以达到95％以上。HOM干涉的输出端使用单光子探测器作为测量设备，测量符合计数。图2为参量光源制备实验装置图，使用BBO晶体自发参量下转换产生参量光源。激光器经过BBO-I型晶体的倍频系统之后形成泵浦激光源，在实施例中，激光器采用的是光谱物理公司生产的钛宝石飞秒激光器，脉宽100fs，重复频率80MHz，中心波长780nm。倍频后的光源经过透镜(Lens)后在非线性晶体上聚焦后产生自发参量下转换，产生两束光子，其中非线性晶体为一块II型的BBO晶体。泵浦之后产生的参量光经过透镜，滤波器(IF)之后用耦合头进行收集作为HOM干涉环的输入，进行态的制备。图3为HOM干涉的一般模型示意图，其中a,b两路为HOM干涉的空间路径。当a,b两路空间入射光子偏振相同时，此时两个光子只会从同一个出口射出。比如，当a,b两路同为H偏振时，由于两个光子从同一个出口射出，此时同一个探测器探测到两个光子，没有符合产生。当a路为H偏振，b路为V偏振时两个出口各有一个光子射出，此时两个探测器同时响应，即产生符合。因此，输入态与符合之间存在着密不可分的联系，可以通过符合数的变化去对输入态进行推导。HOM干涉部分用于制备一个联合测量的算符|Ψ->，其中BS的透反比应尽量接近理想比值50：50，比值越接近50:50，制备出来的算符越理想。HOM干涉入射端的两个PBS用于保证透射过的光子态为|H>，以便使用一个1/2波片与1/4波片制备出任意的单光子偏振态。如图1所示，1路的1/2波片(H1)与1路的1/4波片(Q1)用来制备实验上待还原的量子态，2路的1/2波片(H2)与2路的1/4波片(Q2)用来制备一组层析完备的辅助态在量子信息领域一个单光子态在Bloch球中可以表示为ρ＝|ψ><ψ|，其中其中|H>为水平偏振态，|V>为竖直偏振态，θ∈[0,π]是Bloch球中态矢量与z轴的夹角，φ∈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半设备无关的量子态层析方法，其特征在于：所述方法包括参量光源的制备部分以及基于HOM干涉的联合测量部分；其中参量光源的制备部分利用激光通过非线性晶体泵浦产生自发参量下转换过程制备光子对；/n将两个光子分开作为HOM干涉的两路输入，一路进行辅助态的制备，另一路进行待测量子态的制备；基于HOM干涉的联合测量部分包括两块1/2玻片、两块1/4波片、两个偏振分束器PBS以及一个光分束器BS；/n在HOM干涉的两路输入中，一路为辅助态，另一路为待测量子态即目标态；两路光信号分别从偏振分束器PBS经过1/2波片与1/4波片，然后作为光分束器BS的输入打到BS上；通过1/2波片与1/4波片制备任意偏振的待测量子态与辅助态；将1/2波片与1/4波片分别旋转到一定角度以构建一组层析完备的辅助态；/n利用HOM干涉产生的联合测量算符与信息完备的辅助态，通过参数估计法实现对量子态的层析，还原待测量子态的具体形式。/n

【技术特征摘要】
1.一种半设备无关的量子态层析方法，其特征在于：所述方法包括参量光源的制备部分以及基于HOM干涉的联合测量部分；其中参量光源的制备部分利用激光通过非线性晶体泵浦产生自发参量下转换过程制备光子对；
将两个光子分开作为HOM干涉的两路输入，一路进行辅助态的制备，另一路进行待测量子态的制备；基于HOM干涉的联合测量部分包括两块1/2玻片、两块1/4波片、两个偏振分束器PBS以及一个光分束器BS；
在HOM干涉的两路输入中，一路为辅助态，另一路为待测量子态即目标态；两路光信号分别从偏振分束器PBS经过1/2波片与1/4波片，然后作为光分束器BS的输入打到BS上；通过1/2波片与1/4波片制备任意偏振的待测量子态与辅助态；将1/2波片与1/4波片分别旋转到一定角度以构建一组层析完备的辅助态；
利用HOM干涉产生的联合测量算符与信...

【专利技术属性】
技术研发人员：高江，李剑，陆铮，王琴，程崇虎，庞志广，魏敏，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32