貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換方法、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于量子信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換方法和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，適用于 量子精密測(cè)量、量子通信、量子計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 貝爾態(tài)（Bell states)被定義為兩個(gè)量子比特的最大糾纏態(tài)。貝爾態(tài)有四個(gè)：
其中|0>和|1> 代表泡利矩陣\的兩個(gè)相互正交的本征態(tài)，下標(biāo)a和b分別表示量子比特a和b。作為重要的 量子資源，貝爾態(tài)廣泛應(yīng)用于量子精密測(cè)量、量子計(jì)算和量子通信等領(lǐng)域。貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換是 指從一個(gè)貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換為另外一個(gè)貝爾態(tài)。轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)量子比特a和b中的一個(gè)或者 兩個(gè)進(jìn)行局域操作，例如局域操作心和δ ζ。其中，操作δχ實(shí)現(xiàn)本征態(tài)| 〇>和11>的反轉(zhuǎn)，g卩δχ{
0>，|1>} = { |1>，|0>}，δχ可實(shí)現(xiàn)如下的貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換： δζ在本征態(tài)| 0>和| 1>之間引入相位差π，即32{ | 〇>，| 1>} = { | 〇>，eiJI | 1>}入可實(shí)現(xiàn)貝爾態(tài)轉(zhuǎn)
3通過(guò)心和I的組合操作即可實(shí)現(xiàn)單一貝爾態(tài)到任意 貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換。下面以常見的偏振糾纏和時(shí)間窗（time-bin)糾纏的32操作為例，說(shuō)明當(dāng)前 轉(zhuǎn)換方法存在的問題。
[0003] 以偏振糾纏的32操作為例，目前常見的實(shí)現(xiàn)方法是利用調(diào)相器或者是分?jǐn)?shù)波片 (1/2或者1/4波片），直接在本征態(tài)水平偏振|H>和豎直偏振|V>之間引入相位差π [M.Ostermeyer et al,Optics Communications，281，4540(2008);K.Mattie et al， Phys.Rev.Lett. 76,4656( 1996)]。調(diào)相器方法的缺點(diǎn)在于，調(diào)相器的調(diào)制效果和插入損耗 都是偏振相關(guān)的，很難做到對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)完全對(duì)稱，而且這種實(shí)現(xiàn)方式只能使用特定工藝 的調(diào)相器;而分?jǐn)?shù)波片方法的缺點(diǎn)在于，調(diào)制速度過(guò)慢，很難滿足通信要求。
[0004] 以時(shí)間窗（time-bin)糾纏的32操作為例，目前較為常見的實(shí)現(xiàn)方法是利用不等臂 干涉儀結(jié)合調(diào)相器，直接在本征態(tài)前時(shí)間窗態(tài)|S>和后時(shí)間窗態(tài)|L>之間引入相位差π [W.Tittel et al，Phys.Rev.Lett.84,4737(2000)]。該方法的缺點(diǎn)在于，需要對(duì)轉(zhuǎn)換后的 態(tài)進(jìn)行后選擇，操作復(fù)雜且效率大大降低，不易進(jìn)行組合操作。
[0005] 另外，隨機(jī)執(zhí)行等效操作(如δ4Ρ-δζ)可以保證某些量子通信的安全性[Han，Yun-Guang,et alSecurity of modified Ping-Pong protocol in noisy and lossy channel /Scientific reports 4,4936(2014) ·]，然而上述貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換方法不能實(shí)現(xiàn)這 類等效操作。
[0006] 總之，目前已有的貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換方式已不能滿足量子計(jì)算和量子通信中穩(wěn)定、高速、 高效和安全性的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換方法和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以克服以上所 述貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換方式速度和效率等方面的問題。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換方法，所 述轉(zhuǎn)換方法包括：
[0009] 使處在貝爾態(tài)兩個(gè)量子比特的任意一個(gè)量子比特的兩個(gè)本征態(tài)在不同的時(shí)刻經(jīng) 過(guò)調(diào)相而被施加不同的相位。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，所述貝爾態(tài)為處在偏振糾纏的貝爾態(tài)。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，所述貝爾態(tài)為處在時(shí)間窗糾纏的貝爾態(tài)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，使所述兩個(gè)量子比特的任意一個(gè)量子比特通過(guò) 含調(diào)相器的Sagnac環(huán)，所述調(diào)相器在Sagnac環(huán)內(nèi)被非對(duì)稱放置。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，使所述兩個(gè)量子比特的任意一個(gè)量子比特通過(guò) 調(diào)相器和法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡。
[0014] 另外，本發(fā)明還提供一種貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換方法，其中，所述轉(zhuǎn)換方法包括：
[0015] 使處在貝爾態(tài)的兩個(gè)量子比特的其中一個(gè)量子比特的兩個(gè)本征態(tài)在不同的時(shí)刻 經(jīng)過(guò)第一調(diào)相而被施加不同的相位，同時(shí)使另一個(gè)量子比特的兩個(gè)本征態(tài)在不同的時(shí)刻經(jīng) 過(guò)第二調(diào)相而被施加不同的相位。
[0016] 而且，本發(fā)明還提供一種貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括：
[0017] 含調(diào)相器的轉(zhuǎn)換裝置，使處在貝爾態(tài)的兩個(gè)量子比特的任意一個(gè)量子比特通過(guò)該 裝置后，兩個(gè)本征態(tài)在不同的時(shí)刻經(jīng)過(guò)調(diào)相而被施加不同的相位。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，上述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，所述含調(diào)相器的轉(zhuǎn)換裝置包 括含調(diào)相器的Sagnac環(huán)，所述調(diào)相器在Sagnac環(huán)內(nèi)被非對(duì)稱放置。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方案，上述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，所述含調(diào)相器的轉(zhuǎn)換裝置包 括調(diào)相器和反射鏡。
[0020] 進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述任意一種轉(zhuǎn)換方法在量子精密測(cè)量、量子 計(jì)算或量子通信中的應(yīng)用。
[0021] 根據(jù)以上技術(shù)方案，本發(fā)明貝爾態(tài)的高速高效轉(zhuǎn)換方法和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及應(yīng)用具有如 下有益效果：
[0022] (1)本發(fā)明采用了在不同時(shí)刻對(duì)量子比特的兩個(gè)本征態(tài)施加相應(yīng)相位的設(shè)計(jì)，使 得實(shí)現(xiàn)貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換的局域操作靈活多變，可增強(qiáng)某些量子通信(如量子確定性密碼分配)的 安全性，另外，該設(shè)計(jì)可以方便地集成多種貝爾態(tài)的局域操作；
[0023] (2)本發(fā)明適用于目前量子信息中使用最廣泛的兩類糾纏:偏振糾纏和time-bin 糾纏，對(duì)于偏振糾纏，本發(fā)明采用了Sagnac結(jié)構(gòu)將水平和豎直偏振態(tài)分開，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定緊 湊，可靠性高，對(duì)于time-bin糾纏，其光子的兩個(gè)時(shí)間窗本征態(tài)已經(jīng)在時(shí)間上分開，可直接 應(yīng)用本發(fā)明的思想，并且本發(fā)明采用了法拉第旋轉(zhuǎn)片，調(diào)相與偏振無(wú)關(guān)；
[0024] (3)本發(fā)明中使用調(diào)相器件采用高速的電光調(diào)相器，以滿足通信過(guò)程的高速要求， 同時(shí)，由于本發(fā)明僅需要調(diào)相器對(duì)某一偏振方向的狀態(tài)有作用即可，現(xiàn)在商用的調(diào)相器均 能滿足要求，具有很強(qiáng)的普適性；
[0025] (4)本發(fā)明通過(guò)采用偏振分束器和二分之一波片、或者90°法拉第旋轉(zhuǎn)片或者45° 法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡等非可逆器件，可以被動(dòng)補(bǔ)償光纖往返傳輸過(guò)程中的雙折射效應(yīng)，并可 避免偏振相關(guān)損耗對(duì)操作的影響，確保轉(zhuǎn)換方法的穩(wěn)定性和高效性，且通過(guò)引入高速光電 器件確保了高速。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1的示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2的示意圖。
[0028]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例3的示意圖。
[0029 ]圖4為本發(fā)明的與實(shí)施例1和2對(duì)應(yīng)的調(diào)相器施加相位的時(shí)序圖。
[0030] 圖5為本發(fā)明的與實(shí)施例3對(duì)應(yīng)的調(diào)相器施加相位的時(shí)序圖。 【具體實(shí)施方式】
[0031] 本發(fā)明中，"不同的相位"一詞是指經(jīng)過(guò)調(diào)相后的兩個(gè)本征態(tài)相位發(fā)生改變，舉例 來(lái)說(shuō)，兩個(gè)本征態(tài)分別在不同時(shí)刻被調(diào)相器引入相位中1和屮2， η為整數(shù)。
[0032] 本發(fā)明提供一種貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換方法，所述轉(zhuǎn)換方法包括:使處在貝爾態(tài)的兩個(gè)量 子比特的任意一個(gè)量子比特的兩個(gè)本征態(tài)在不同的時(shí)刻經(jīng)過(guò)調(diào)相而被施加不同的相位。
[0033] 本發(fā)明還提供一種貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換方法，其中，所述轉(zhuǎn)換方法包括：
[0034] 使處在貝爾態(tài)的兩個(gè)量子比特的其中一個(gè)量子比特的兩個(gè)本征態(tài)在不同的時(shí)刻 經(jīng)過(guò)第一調(diào)相而被施加不同的相位，同時(shí)使另一個(gè)量子比特的兩個(gè)本征態(tài)在不同的時(shí)刻經(jīng) 過(guò)第二調(diào)相而被施加不同的相位。
[0035] 另外，本發(fā)明提供一種貝爾態(tài)的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括：
[0036] 含調(diào)相器的轉(zhuǎn)換裝置，使處在貝爾態(tài)的兩個(gè)量子比特的任意一個(gè)量子比特通過(guò)該 裝置后，兩個(gè)本征態(tài)在不同的時(shí)刻經(jīng)過(guò)調(diào)相而被施加不同的相位。
[0037] 對(duì)于處在貝爾態(tài)的兩個(gè)量子比特，進(jìn)行貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)：是兩個(gè)量子比特中的一個(gè) 進(jìn)入貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，另一個(gè)則不進(jìn)入;或者是兩個(gè)量子比特中的一個(gè)進(jìn)入 一個(gè)貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，另一個(gè)則進(jìn)入另一個(gè)貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作； 或者是兩個(gè)量子比特中的一個(gè)先進(jìn)入貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)先進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，另一個(gè)后進(jìn)入貝爾 態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。所述貝爾態(tài)為處在偏振糾纏的貝爾態(tài)或者處在時(shí)間窗糾纏的 貝爾態(tài)。
[0038] 對(duì)于含調(diào)相器的轉(zhuǎn)換裝置，優(yōu)選的，引入偏振分束器和二分之一波片、或者偏振分 束器和90°法拉第旋轉(zhuǎn)片，或者45°法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡等確保轉(zhuǎn)換方法的穩(wěn)定性和高效性， 引入高速光電器件確保高速。
[0039]還優(yōu)選的，本發(fā)明的含調(diào)相器的轉(zhuǎn)換裝置是一個(gè)自由空間薩格納克（Sagnac)環(huán)， 該環(huán)包括:偏振分束器、第一反射鏡、調(diào)相器、第二反射鏡和二分之一波片。量子比特的水平 偏振本征態(tài)被偏振分束器透射，沿Sagnac環(huán)順時(shí)針方向傳播，依次經(jīng)過(guò)二分之一波片、第一 反射鏡、調(diào)相器、第二反射鏡，再次經(jīng)過(guò)偏振分束器被反射;量子比特的豎直偏振本征態(tài)被 偏振分束器反射，沿Sagnac環(huán)逆時(shí)針方向傳播，依次經(jīng)過(guò)第二反射鏡、調(diào)相器、第一反射鏡 和二分之一波片，再次經(jīng)過(guò)偏振分束器被透射。調(diào)相器在Sagnac環(huán)內(nèi)非對(duì)稱放置，即與第一 反射鏡和第二反射鏡的距離不同，使得沿Sagnac環(huán)順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向的量子比特本 征態(tài)在不同時(shí)刻經(jīng)過(guò)調(diào)相器，并分別被施加不同的相位。
[0040] 還優(yōu)選的，本發(fā)明的含調(diào)相器的轉(zhuǎn)換裝置是一個(gè)光纖Sagnac環(huán)，該環(huán)包括:偏振分 束器、調(diào)相器、光纖延時(shí)環(huán)和90°法拉第旋轉(zhuǎn)片。量子比特的水平偏振本征態(tài)被偏振分束器 透射，沿Sagnac環(huán)順時(shí)針方向傳播，依調(diào)相器、光纖延時(shí)環(huán)和90°法拉第旋轉(zhuǎn)片，再次經(jīng)過(guò)偏 振分束器被反射;量子比特的豎直偏振本征態(tài)被偏振分束器反射，沿Sagnac環(huán)逆時(shí)針方向 傳播，依次經(jīng)過(guò)90°法拉第旋轉(zhuǎn)片、光纖延時(shí)環(huán)和調(diào)相器，再次經(jīng)過(guò)偏振分束器被透射。在 Sagnac環(huán)內(nèi)增加的光纖延時(shí)環(huán)，使得沿Sagnac環(huán)順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向的量子比特本征 態(tài)在不同時(shí)刻經(jīng)過(guò)調(diào)相器，并分別被施加不同的相位。
[0041] 對(duì)于time-bin糾纏的貝爾態(tài)，本發(fā)明的貝爾態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)優(yōu)選包括:調(diào)相器和45°法 拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡。首先，量子比特的本征態(tài)前時(shí)間窗態(tài)I S>先經(jīng)過(guò)調(diào)相器，爾后被法拉第旋 轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)反射旋轉(zhuǎn)，并再次通過(guò)調(diào)相器，該本征態(tài)兩次經(jīng)