[发明专利]一种相干场密集编码通信装置及方法

说明书

本发明公开一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置及方法，所述装置包括：相干场发生组件、分束器、初始叠加态生成组件、模式控制门阵列组件、延时器、合束器、通信信道、正交模式分束器以及正交相位编码相干检测组件；本发明利用场的相干叠加性质以及正交伪随机编码的正交性、封闭性、平衡性，实现量子密集编码，也就是随着量子数量的增加，量子态所携带的经典信息量指数增加。我们这种相干场实现的密集编码不仅具有量子密集编码的优势，而且更加易于实现，利用现有成熟技术就能实现大规模应用，与此同时还能克服量子密集编码通信中容易受到退相干干扰的困难。

技术领域

本发明涉及一种通信装置，尤其涉及一种基于伪随机相位序列和正交模式叠加态的相干场密集编码通信装置及方法。

背景介绍

量子信息是计算机和通信技术发展的未来。随着集成电路晶体管尺度的减小，量子效应将不可避免，离散的量子状态与计算机0和1的表示天然一致，因此发展量子计算将是计算机技术发展到今天的必然选择。随着量子计算的研究，发现量子计算具有经典计算无可比拟的巨大优势，量子计算是一种全新的并行计算技术，由于量子体系具有经典体系所不具备的叠加态和张量积结构的存在，使得量子计算机能够指数加速传统经典计算机难以处理的许多NP问题，如大数因式分解、无序数据库搜索等。例如采用传统计算机需要数亿年才能破解的RSA加密算法，在量子计算机中利用Shor算法只需要短短数秒即可完成。这些成果大大震撼了整个学术界和产业界，大大促进了量子计算技术的研究。除了量子计算之外，还有量子通信技术为信息传输的保密性提供了新的保证。但是除了在保密通信之外，量子信息的密集编码技术能够极大提高信息通信容量，这一方面也被人们广泛关注。最早Bennett等人发现利用量子纠缠态可以实现量子密集编码，即一个量子比特可以传输的两个经典比特的信息量(C.H.Bennett,et al.Phys.Rev.Lett.69,288(1992))。

量子密集编码需要依靠量子态的相干叠加性质和量子纠缠性质来实现，但是这种相干叠加性质非常容易收到外界的影响导致退相干，这种退相干效应会导致量子密集编码的完全失效，因此到目前为止，尚没有可以实用化的方案来实现量子密集编码。近年来，利用光场实现量子态的模拟得到了重视，一方面由于光场的相干叠加性质和量子相干叠加性质非常接近，虽然物理解释上不一致；另一方面光场的相干叠加性质不容易受到外界干扰退相干。已经形成共识的是，光场对于单量子波函数的模拟完全没有问题，完全一致的Hilbert空间数学结构，以及场强分布和粒子几率分布的相似性。但是，对于多粒子体系的量子纠缠效应，光场的模拟仍然存在这争议。许多研究认为通过对光场增加一个自由度可以实现对量子纠缠的模拟，甚至将这种模拟称之为经典纠缠(A.Aiello et al.,NewJ.Phys.17,043024(2015)；F.Toppel et al.,New J.Phys.16,073019(2014)；A.Luis,Opt.Commun.282,3665(2009))。

在发明专利申请201610326288.0中提出了利用伪随机相位编码的正交性，通过在每个光场上调制一个伪随机相位编码实现对不同光场的区分，这样来模拟多个量子粒子，实现类似量子计算的光学并行计算的新方法。正交伪随机编码已经广泛应用到无线和有线通信领域实现对不同用户的区分，例如在码分多址(CDMA)技术中就是利用编码的正交性实现多用户的同时通信。这种正交伪随机相位编码(例如m-序列或者M-序列)不仅在能够区分不同的光场，而且带来和量子测量相似的随机性，从而可以在其中引入类似于量子系综的概念。此外，利用不同正交偏振模式进行多信道传输已经得到很多的研究和应用，专利200510072337.4就提出了一种利用偏振模式来增加光通信容量的方法，以及一些研究(M.S.Alfiad,et al.,J.LightwaveTechnol.,2009,27(16)35903598.)详细讨论了偏振复用在实际通信系统中的应用。但是，这种方法一般只能增加一倍的通信容量。

发明内容