一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置
阅读说明：本技术 一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置 (Continuous variable strong entanglement coherence enhancing device based on nonlinear beam splitter ) 是由 张胜利 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置,包括：光源单元,包括EPR强纠缠光源和EPR第一弱纠缠光源,EPR强纠缠光源设有输出端A,EPR第一弱纠缠光源设有第一输出端和第二输出端；第一光子探测器与第一输出端连接；第一自由空间光学通道具有输入端M1和输出端N1,输入端M1与输出端A连接；第一光学反射镜,具有输入端P1和输出端Q1,输入端P1与第二输出端连接；第一光学非线性分束器,具有输入端X1、输入端X2、输出端Y1、输出端Y2,输入端X1与输出端N1连接,输入端X2与输出端Q1连接,其中,输出端Y2用于输出两模纠缠态的其中一个模式；第三光子探测器,与输出端Y1连接。(The application provides a continuous variable strong entanglement coherence enhancing device based on nonlinear beam splitter, including: the light source unit comprises an EPR strong entanglement light source and an EPR first weak entanglement light source, the EPR strong entanglement light source is provided with an output end A, and the EPR first weak entanglement light source is provided with a first output end and a second output end; the first photon detector is connected with the first output end; the first free-space optical channel has an input end M1 and an output end N1, the input end M1 being connected to the output end a; a first optical mirror having an input end P1 and an output end Q1, the input end P1 being connected to the second output end; a first optical nonlinear beam splitter having an input X1, an input X2, an output Y1, an output Y2, an input X1 connected to an output N1, an input X2 connected to an output Q1, wherein the output Y2 is configured to output one mode of the two-mode entangled state; and the third photon detector is connected with the output end Y1.)
技术领域
本申请涉及连续变量纠缠操控技术领域，具体而言，涉及一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置。
背景技术
量子纠缠是量子信息中的重要资源。目前大家所关心的量子纠缠可以分为离散变量量子纠缠和连续变量量子纠缠。离散变量量子纠缠较多地表现在少数能级量子体系的量子纠缠，包括原子纠缠和光子纠缠。而连续变量量子纠缠则是量子光场的正则坐标分量、正则动量分量为主体的量子态纠缠新形式。连续变量量子纠缠态在精密测量、高速高容量连续变量量子通信体系中具有重要应用。量子纠缠的量子相干性是量子纠缠的重要指标，是量子系统本身的重要资源，也是量子计算、量子精密测量等诸多量子信息处理能够突破传统信息处理极限的重要依据。
不断地提升连续变量量子纠缠的量子相干在具体的量子信息处理中具有重要意义。本发明人所在团队在2018年提出了对于连续变量弱纠缠的相干性提升方案(Photoncatalysis acting as noiseless linear amplification and its application incoherence enhancement，Phys.Rev.A.97.043830(2018))。然而，该方案由于在光子数处理上的局限性，无法应对未来强纠缠输入时多光子布居的问题，无法处理强纠缠条件下的相干性操控。同时，截止到目前，国内外仍然没有对强纠缠相干性提升的报道。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置，以克服现有技术存在的不足，提供原理简单、可靠性好、易于实现的连续变量强纠缠的相干性增强装置。
为了实现上述目的，本申请的实施例通过如下方式实现：
第一方面，本申请实施例提供一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置，包括：光源单元，包括EPR强纠缠光源和EPR第一弱纠缠光源，所述EPR强纠缠光源设有输出端A，所述EPR第一弱纠缠光源设有第一输出端和第二输出端；第一光子探测器，与所述第一输出端连接；第一自由空间光学通道，具有输入端M1和输出端N1，输入端M1与输出端A连接；第一光学反射镜，具有输入端P1和输出端Q1，输入端P1与所述第二输出端连接；第一光学非线性分束器，具有输入端X1、输入端X2、输出端Y1、输出端Y2，输入端X1与输出端N1连接，输入端X2与输出端Q1连接，其中，输出端Y2用于输出两模纠缠态的其中一个模式；第三光子探测器，与输出端Y1连接。
在本申请实施例中，提供的基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置，使得相干性增强的操作属于一种可标记的操作，通过光子计数器的计数可以标记出相干性增强操作是成功还是失败的。因此，不需要多次重新制备用于相干性增强的连续变量强纠缠。其次，本方案不需要平衡零拍探测系统，仅利用成熟的商用光子数探测技术，包括单光子探测器或开关型光子探测器。以及，本方案可以提高连续变量强纠缠的相干性质量。再者，本方案可以克服连续变量强纠缠光场在传输过程中的振幅衰减噪声，也可以克服传统纠缠蒸馏本身引入的额外噪声；可以在现有的强纠缠相干性的基础上进一步提升相干性。另外，本方案制备的相干性增强的连续变量强纠缠可以用于基于连续变量的量子精密测量、连续变量量子计算，也可以应用于量子保密通信。因此，本方案提供了一种原理简单、可靠性好、易于实现的连续变量强纠缠的相干性增强装置。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述光源单元还包括EPR第二弱纠缠光源，所述EPR第二弱纠缠光源设有第三输出端和第四输出端，所述EPR强纠缠光源设有输出端A和输出端B，对应的，所述基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置还包括：第二光子探测器，与所述第三输出端连接；第二自由空间光学通道，具有输入端M2和输出端N2，输入端M2与输出端B连接；第二光学反射镜，具有输入端P2和输出端Q2，输入端P2与所述第四输出端连接；第二光学非线性分束器，具有输入端X3、输入端X4、输出端Y3、输出端Y4，输入端X3与输出端N2连接，输入端X4与输出端Q2连接，其中，输出端Y4用于输出两模纠缠态的其中一个模式；第四光子探测器，与输出端Y3连接。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述EPR强纠缠光源的压缩度为15dB。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述EPR第一弱纠缠光源和所述EPR第二弱纠缠光源的压缩度为0.43dB。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述第一光学非线性分束器和所述第二光学非线性分束器的参数为0.43～0.86dB。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述第一光子探测器和所述第二光子探测器均为光子数可分辨光子探测器，所述第三光子探测器为光子数可分辨光子探测器或光子数不可分辨光子探测器，所述第四光子探测器为光子数可分辨光子探测器或光子数不可分辨光子探测器。
第二方面，本申请实施例提供一种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法，应用于第一方面所述的基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置，所述方法包括：获取所述第一光子探测器的第一探测结果和所述第三光子探测器的第三探测结果；若所述第一探测结果的光子数为1，且所述第三探测结果的光子数为0，确定连续变量强纠缠相干性增强成功；若所述第一探测结果的光子数非1，或者，所述第三探测结果的光子数非0，确定连续变量强纠缠相干性增强失败。
第三方面，本申请实施例提供一种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法，应用于第一方面的第一种至第五种可能的实现方式中任一项所述的基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置，所述方法包括：获取所述第一光子探测器的第一探测结果、所述第二光子探测器的第二探测结果、所述第三光子探测器的第三探测结果和所述第四光子探测器的第四探测结果；若所述第一探测结果的光子数和所述第二探测结果的光子数均为1，且所述第三探测结果的光子数和所述第四探测结果的光子数均为0，确定连续变量强纠缠相干性增强成功；若所述第一探测结果的光子数或所述第二探测结果的光子数非1，或者，所述第三探测结果的光子数或所述第四探测结果的光子数非0，确定连续变量强纠缠相干性增强失败。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置的示意图。
图2为本申请实施例提供的第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置中光源单元的结构示意图。
图3为本申请实施例提供的第一种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法的流程图。
图4为第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置的效果图。
图5为本申请实施例提供的第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置的示意图。
图6为本申请实施例提供的第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置中光源单元的结构示意图。
图7为本申请实施例提供的第二种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法的流程图。
图8为第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置的效果图。
图标：100-连续变量强纠缠相干性增强装置；110-光源单元；111-EPR强纠缠光源；112-EPR第一弱纠缠光源；113-EPR第二弱纠缠光源；121-第一光子探测器；122-第二光子探测器；123-第三光子探测器；124-第四光子探测器；131-第一自由空间光学通道；132-第二自由空间光学通道；141-第一光学反射镜；142-第二光学反射镜；151-第一光学非线性分束器；152-第二光学非线性分束器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100的示意图。
在本实施例中，基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100可以包括光源单元110、第一光子探测器121、第一自由空间光学通道131、第一光学反射镜141、第一光学非线性分束器151、第三光子探测器123。
请参阅图2，图2为本申请实施例提供的第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100中光源单元110的结构示意图。
示例性的，光源单元110可以包括EPR强纠缠光源111和EPR第一弱纠缠光源112，EPR强纠缠光源111设有输出端A，EPR第一弱纠缠光源112设有第一输出端和第二输出端。此处，EPR纠缠光源指的是爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(Einstein-Podolsky-Rosen)纠缠光源。
示例性的，第一光子探测器121可以与第一输出端连接，用于探测第一输出端是否输出有光子。
示例性的，第一自由空间光学通道131具有输入端M1和输出端N1，输入端M1与输出端A连接。
示例性的，第一光学反射镜141具有输入端P1和输出端Q1，输入端P1与第二输出端连接。
示例性的，第一光学非线性分束器151具有输入端X1、输入端X2、输出端Y1、输出端Y2，输入端X1与输出端N1连接，输入端X2与输出端Q1连接，其中，输出端Y2用于输出两模纠缠态的其中一个模式。
示例性的，第三光子探测器123与输出端Y1连接。
EPR第一弱纠缠光源112的第一输出端和第一光子探测器121连接，当第一光子探测器121探测到一个光子时，光源单元110即完成所需量子态光场的制备。
在本实施例中，EPR强纠缠光源111的压缩度为15dB，EPR第一弱纠缠光源112的压缩度为0.43dB，第一光学非线性分束器151和第二光学非线性分束器152的参数为0.43～0.86dB。
在本实施例中，第一光子探测器121为光子数可分辨光子探测器，第三光子探测器123为光子数可分辨光子探测器或光子数不可分辨光子探测器。
基于第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100，可以采用第一种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法对连续变量强纠缠相干性增强的成功与否进行判定。
此处，第一种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法可以包括步骤S11、步骤S12和步骤S13。
步骤S11：获取所述第一光子探测器的第一探测结果和所述第三光子探测器的第三探测结果。
步骤S12：若所述第一探测结果的光子数为1，且所述第三探测结果的光子数为0，确定连续变量强纠缠相干性增强成功。
步骤S13：若所述第一探测结果的光子数非1，或者，所述第三探测结果的光子数非0，确定连续变量强纠缠相干性增强失败。
请参阅图3，图3为本申请实施例提供的第一种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法的流程图。当且仅当第一光子探测器121探测到1个光子且第三光子探测器123探测到0个光子时，EPR强纠缠态相干性提升成功(即连续变量强纠缠相干性增强成功)；其他情况均对应着相干性提升失败。对于第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100，采用此种判断流程可以快速可靠地判断连续变量强纠缠相干性增强成功还是失败，不需要多次重新制备用于相干性增强的连续变量强纠缠。
量子态的相干性是一种重要的量子资源，相干性定义为量子态对角元的熵与量子态本身的熵之差。差值越大，该量子态的相干性越大。热态是只有对角元非零的态，其相干性为零。而量子纯态，比如相干态，其本身的熵为零，所对应的对角元的熵即为其量子相干性的大小。
请参阅图4，图4为第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100的效果图。标记有星号的曲线给出了强压缩输入时的量子相干性的大小C。标记有圆圈的曲线给出了第一光学非线性分束器151的参数为0.43～0.86dB时经过本相干增强装置后的量子相干性的大小C。采用0.43～0.86dB的光学非线性分束器，本方案的连续变量强纠缠相干性增强装置100(第一种)可以实现相干性大小C的增加。
请参阅图5，图5为本申请实施例提供的第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100的示意图。
在本实施例中，在第一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100的基础上，第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100有进一步的变化。
请参阅图6，图6为本申请实施例提供的第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100中光源单元110的结构示意图。
在本实施例中，第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100的光源单元110还包括EPR第二弱纠缠光源113，EPR第二弱纠缠光源113设有第三输出端和第四输出端，以及，此光源单元110中的EPR强纠缠光源111设有输出端A和输出端B。
在此基础上，第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100还包括第二光子探测器122、第二自由空间光学通道132、第二光学反射镜142、第二光学非线性分束器152和第四光子探测器124。
示例性的，第二光子探测器122可以与第三输出端连接。
示例性的，第二自由空间光学通道132具有输入端M2和输出端N2，输入端M2与输出端B连接。
示例性的，第二光学反射镜142具有输入端P2和输出端Q2，输入端P2与第四输出端连接。
示例性的，第二光学非线性分束器152具有输入端X3、输入端X4、输出端Y3、输出端Y4，输入端X3与输出端N2连接，输入端X4与输出端Q2连接，其中，输出端Y4用于输出两模纠缠态的其中一个模式。
示例性的，第四光子探测器124可以与输出端Y3连接。
EPR第一弱纠缠光源112的第一输出端和第一光子探测器121连接，EPR第二弱纠缠光源113的第三输出端和第二光子探测器122连接。当第一光子探测器121和第二光子探测器122均探测到一个光子时，光源单元110完成所需量子态光场的制备。
在本实施例中，EPR强纠缠光源111的压缩度为15dB，EPR第一弱纠缠光源112和EPR第二弱纠缠光源113的压缩度为0.43dB，第一光学非线性分束器151和第二光学非线性分束器152的参数为0.43～0.86dB。
在本实施例中，第一光子探测器121和第二光子探测器122均为光子数可分辨光子探测器，第三光子探测器123为光子数可分辨光子探测器或光子数不可分辨光子探测器，第四光子探测器124为光子数可分辨光子探测器或光子数不可分辨光子探测器。
基于第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100，可以采用第二种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法对连续变量强纠缠相干性增强的成功与否进行判定。
此处，第二种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法可以包括步骤S21、步骤S22和步骤S23。
步骤S21：获取所述第一光子探测器的第一探测结果、所述第二光子探测器的第二探测结果、所述第三光子探测器的第三探测结果和所述第四光子探测器的第四探测结果。
步骤S22：若所述第一探测结果的光子数和所述第二探测结果的光子数均为1，且所述第三探测结果的光子数和所述第四探测结果的光子数均为0，确定连续变量强纠缠相干性增强成功。
步骤S23：若所述第一探测结果的光子数或所述第二探测结果的光子数非1，或者，所述第三探测结果的光子数或所述第四探测结果的光子数非0，确定连续变量强纠缠相干性增强失败。
请参阅图7，图7为本申请实施例提供的第二种连续变量强纠缠相干性增强的确定方法的流程图。当且仅当第一光子探测器121和第二光子探测器122均探测到1个光子，且第三光子探测器123和第四光子探测器124探测到0个光子时，EPR强纠缠态相干性提升成功(即连续变量强纠缠相干性增强成功)；其他情况均对应着相干性提升失败。对于第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100，采用此种判断流程同样可以快速可靠地判断连续变量强纠缠相干性增强成功还是失败，不需要多次重新制备用于相干性增强的连续变量强纠缠。
请参阅图8，图8为第二种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100的效果图。图8中标记有星号的曲线给出了强压缩输入时的量子相干性的大小C；标记有圆圈的曲线给出了光学非线性分束器(第一光学非线性分束器151和第二光学非线性分束器152)的参数为0.43～0.86dB时经过此种连续变量强纠缠相干性增强装置100后的量子相干性的大小C。采用0.43～0.86dB的光学非线性分束器，本方案中的连续变量强纠缠相干性增强装置100(第二种)可以实现相干性大小C的增加。
综上所述，本申请实施例提供一种基于非线性分束器的连续变量强纠缠相干性增强装置100，使得相干性增强的操作属于一种可标记的操作，通过光子计数器的计数可以标记出相干性增强操作是成功还是失败的。因此，不需要多次重新制备用于相干性增强的连续变量强纠缠。其次，本方案不需要平衡零拍探测系统，仅利用成熟的商用光子数探测技术，包括单光子探测器或开关型光子探测器。以及，本方案可以提高连续变量强纠缠的相干性质量。再者，本方案可以克服连续变量强纠缠光场在传输过程中的振幅衰减噪声，也可以克服传统纠缠蒸馏本身引入的额外噪声；可以在现有的强纠缠相干性的基础上进一步提升相干性。另外，本方案制备的相干性增强的连续变量强纠缠可以用于基于连续变量的量子精密测量、连续变量量子计算，也可以应用于量子保密通信。因此，本方案提供了一种原理简单、可靠性好、易于实现的连续变量强纠缠的相干性增强装置。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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