[发明专利]一种时间-极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法

说明书

本发明提供一种时间—极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，所述方法步骤如下：用户2制备一对包含信息数据的时间—极化双光子超纠缠态，并向用户1发送该超纠缠态中的一个光子；用户1制备一对最大纠缠的极化纠缠态，并在这一对极化纠缠态中加入时间纠缠，成最大纠缠的时间—极化超纠缠态，该超纠缠态作为放大系统的辅助态；用户1对进入放大器的信号光子态和辅助态进行一系列操作，由于放大概率不是百分之百，会产生多种输出态，不同的输出态将会导致探测器不同的响应效果；计算，得知不同的探测器响结果对应的输出态，根据探测器响应情况，选择保留需要的态，舍弃不符合条件的态，并根据结果计算方案的成功概率和信号态的保真度。

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种时间-极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法。

背景技术

超纠缠态在量子通信方案中占有重要地位，如量子隐形传态、量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享。超纠缠是量子系统同时在多个自由度上存在纠缠，在量子通信领域引起了广泛的关注。以往的研究已经证明，超纠缠可以提高信道容量。此外，超纠缠量子系统的贝尔不等式可以有效地提高量子通信的安全性。因此，超纠缠量子系统是量子通信领域的一个重要资源。

无噪声线性放大是Ralph和Lund在2009年首次提出的一种解决量子通信中光子传输损耗问题的有效方法。在设备无关的量子密钥分配(DI-QKD)中，无噪声线性放大被广泛用于保护单光子量子比特和纠缠。在远距离量子通信中，量子纠缠的分发是一个主要的技术难题。实际量子信道中的环境信道噪声会造成光子传输损耗，降低通信效率，甚至威胁量子通信的安全。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种时间-极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，需要使用一对处于最大纠缠态的极化光子对，再经过一个时间延迟系统，将制备好的纠缠态加入时间纠缠，最终形成超纠缠的辅助量子态。辅助光子态和信号光子同时进入放大器。放大器主要组成部分为四个极化分束器(PBS)、两个部分极化分束器(PPBS)和四个探测器。最终根据探测器响应类型，我们可判断是否保留输出态，并根据结果计算成功概率和保真度。只需要一些常见的光学元件，可以在当前的实验技术下实现，具有较强的实用性。

本发明提供一种时间-极化超纠缠态的纠缠辅助无噪线性放大方法，所述方法步骤如下：

步骤一：用户2制备一对包含信息数据的时间-极化双光子超纠缠态，并向用户1发送该超纠缠态中的一个光子；

步骤二：用户1制备一对最大纠缠的极化纠缠态，并在这一对极化纠缠态中加入时间纠缠，成最大纠缠的时间-极化超纠缠态，该超纠缠态作为放大系统的辅助态；

步骤三：用户1对进入放大器的信号光子态和辅助态进行一系列操作，由于放大概率不是百分之百，所以会产生多种输出态，不同的输出态将会导致探测器不同的响应效果；

步骤四：根据计算，得知不同的探测器响结果对应的输出态，根据探测器响应情况，选择保留需要的态，舍弃不符合条件的态，并根据结果计算方案的成功概率和信号态的保真度。

进一步改进在于：所述步骤一中用户2将信息编码于一个时间-极化超纠缠态中，其形式写成|H〉和|V〉分别被定义为水平极化和垂直极化，|S和|L分别被定义为时间片段纠缠中的短路径和长路径，α，β，δ，η是四个纠缠系数，要求|α|²+|β|²＝1、|δ|²+|η|²＝1；用户2通过量子信道向用户1发送编码信息，信息内容由上述的时间-极化超纠缠态编码组成，但由于现实中量子信道中的环境噪声会造成光子传输损耗，从而导致原超纠缠态退化为混合态。

进一步改进在于：所述步骤二中为了提高混合态中超纠缠态的保真度，用户1制备一对最大纠缠的双光子极化纠缠态然后再经过一个时间延迟系统，将制备好的纠缠态加入时间片段纠缠，形成新的超纠缠态形式为为用户1需要的辅助态，然后，用户1将收到的信息光子和辅助态光子通入放大器中。