基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法
阅读说明：本技术 基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法 (Entanglement concentration method of 5-particle quantum linear entanglement state based on linear optical device ) 是由 宋婷婷 张可佳 贾恒越 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法,包括步骤：纠缠态分发：5个参与方中一个参与方制备1个5粒子量子线性纠缠态,并将其中4个粒子通过量子信道发送给其余4个参与方,每个参与方拥有一个粒子；纠缠态浓缩：根据量子信道特征,5个参与方中4个参与方对自己手中的粒子利用线性光器件执行局域操作；操作完成后,5个参与方共享原始5粒子量子线性纠缠态。本发明仅利用最简单的线性光器件实现5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩,且成功概率达到最大,过程简单,传输高质量,对量子信息、量子密码很多领域有很大的实用化价值。(The invention discloses a linear optical device-based entanglement concentration method for 5-particle quantum linear entanglement states, which comprises the following steps: and (3) entangled state distribution: one of the 5 participants prepares 1 quantum linear entangled state of 5 particles, and sends 4 particles to the other 4 participants through quantum channels, wherein each participant has one particle; and (3) entanglement state concentration: according to the quantum channel characteristics, 4 participants in 5 participants perform local operation on the particles in their hands by using a linear optical device; after the operation is completed, 5 participants share the original 5-particle quantum linear entangled state. The invention only utilizes the simplest linear optical device to realize the entanglement concentration of the linear entangled state of the 5 particles of quantum, has the advantages of maximum success probability, simple process, high transmission quality and great practical value in many fields of quantum information and quantum cryptography.)
技术领域
本发明涉及量子信息领域，特别涉及一种基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法。
背景技术
与经典物理理论不同，量子纠缠是属于量子世界真正的量子现象。对纠缠态的部分粒子的测量会影响其余粒子的状态。线性纠缠态是一种特殊的量子纠缠态，已广泛应用于量子信息和量子密码的各个领域，如量子纠错码、量子秘密分享、量子安全直接通信、量子密钥分发等。
已证明2粒子、3粒子线性纠缠态与Bell态、3粒子GHZ态等价，大于4粒子的线性纠缠态的纠缠维度较高，较难分析和实现5粒子线性纠缠态，且通常要将5粒子线性纠缠态通过量子信道发送给远程参与方，纠缠易受量子信道影响。而5粒子线性纠缠态在安全多方计算中应用较广。因此，行业内急需研发一种能实现5粒子线性纠缠态且能高质量传输5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法或者协议。
发明内容
本发明技术解决的问题是：针对5粒子线性纠缠态易受量子信道影响的问题，利用线性光器件，提出一种基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法，该方法成功概率达到最大，具有较高的实用性和可扩展性。
本发明方案实现基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法，包括步骤：
步骤S1、纠缠态分发：5个参与方中一个参与方制备1个5粒子量子线性纠缠态，并将其中4个粒子通过量子信道发送给其余4个参与方，每个参与方拥有一个粒子；
步骤S2、纠缠态浓缩：根据量子信道特征，5个参与方中4个参与方对自己手中的粒子利用线性光器件执行局域操作；操作完成后，5个参与方共享原始5粒子量子线性纠缠态。
优选地，步骤S1具体如下：
S101、初始化：5个参与方构建一个量子多体系统；5个参与方分别为Alice、Bob、Charlie、Daniel和Ellen；量子多体系统的表达式如下：
其中，下标12345分别表示5个粒子序号，|H>、|V>分别为水平偏振、竖直偏振；
S102、制备量子态：参与方Alice制备5粒子量子线性纠缠态；
S103、传输量子态：参与方Alice将制备的5粒子量子线性纠缠态通过量子信道发送给Bob、Charlie、Daniel和Ellen，传输后的量子多体系统为：
|Ψ>12345＝λ0|HHVHV>12345+λ1|HHHVH>12345+λ2|VVHHV>12345+λ3|VVVVH>12345；
其中，|λ0|≤|λj|，且|λ0λ3|≤|λ1λ2|。
优选地，其特征在于，线性光器件包括：半波片HWP190、半波片HWP290、半波片HWP390、波片R2、波片R3、波片R4、偏振分束器PBS1、、偏振分束器PBS2、偏振分束器PBS3、偏振分束器PBS4、偏振分束器PBS5、偏振分束器PBS6、偏振分束器PBS7、偏振分束器PBS8；
半波片HWP290、偏振分束器PBS1、波片R2、偏振分束器PBS2、偏振分束器PBS3依次设置在同一水平光轴，且偏振分束器PBS1的透射端朝向波片R2、反射端连接偏振分束器PBS3，偏振分束器PBS2的反射端连接探测器D1；
半波片HWP390、偏振分束器PBS4、偏振分束器PBS6依次设置在同一水平光轴，且偏振分束器PBS4的透射端朝向偏振分束器PBS6的输入端，偏振分束器PBS4、波片R3、偏振分束器PBS5依次设置在同一竖直光轴，偏振分束器PBS4的反射端朝向波片R3，偏振分束器PBS6的投射端和偏振分束器PBS5的反射端垂直设置；
偏振分束器PBS7、偏振分束器PBS9依次设置在同一水平光轴，且偏振分束器PBS7的透射端朝向偏振分束器PBS9的输入端，偏振分束器PBS7、波片R4、偏振分束器PBS8依次设置在同一竖直光轴，偏振分束器PBS8的反射端和偏振分束器PBS9的透射端竖直设置。
优选地，线性光器件还包括：探测器D1、探测器D2和探测器D3；探测器对输入的脉冲进行探测，脉冲含有光子探测器响应，否则探测器不响应；探测器D1设置在偏振分束器PBS2的反射端，探测器D2设置在偏振分束器PBS5的透射端，探测器D3设置在偏振分束器PBS8的透射端。
优选地，步骤S2具体如下：
S201、参与方Alice对自己手中的粒子执行如下操作：
L1＝|H><V|+|V><H|
S202、参与方Bob对自己手中的粒子执行如下操作：
S203、参与方Charlie对自己手中的粒子执行如下操作：
S204、参与方Daniel对自己手中的粒子执行如下操作：
S205、5个参与方将会以4|λ0|2的概率恢复出|ψ>12345。
优选地，步骤S2还具体如下：
S211、参与方Alice将自己手中的粒子通过半波片HWP190，则量子多体系统变为：
|Ψ1>12345＝λ0|VHVHV〉12345+λ1|VHHVH〉12345+λ2|HVHHV>12345+λ3|HVVVH>12345；
S212、参与方Bob将自己手中的粒子依次通过半波片HWP290、偏振分束器偏振分束器PBS1，偏振分束器PBS1输出的水平偏振经过波片R2旋转角度θ2，水平偏振再通过偏振分束器PBS2后和偏振分束器PBS1输出的竖直偏振均通过偏振分束器PBS3，其中此时未归一化量子多体系统变为：
S213、参与方Charlie将自己手中的粒子依次通过半波片HWP390、偏振分束器PBS4，偏振分束器PBS4输出的竖直偏振经过波片R3旋转角度θ3后再通过偏振分束器PBS5，最后偏振分束器PBS4输出的竖直偏振和偏振分束器PBS4输出的水平偏振在偏振分束器PBS6汇合，其中 此时未归一化量子多体系统变为：
S214、参与方Daniel将自己手中的粒子通过偏振分束器PBS7，偏振分束器PBS7输出的竖直偏振经过波片R4旋转角度θ4后，再通过偏振分束器PBS8，最终PBS7输出的竖直偏振和偏振分束器PBS7输出的水平偏振在偏振分束器PBS9汇合，其中此时未归一化量子多体系统变为：
|Ψ4>12345＝λ0|VVHHV>12345-λ0|VVVVH>12345-λ0|HHVHV>12345+λ0|HHHVH>12345
S215、将量子多体系统|Ψ4>12345归一化后，5个参与方以4|λ0|2的概率恢复出|ψ>12345。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1)本发明实现了对5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩，把受噪声影响的态恢复为原始5粒子量子线性纠缠态。因此，本发明保证了5粒子量子线性纠缠态的高质量传输。
2)本发明利用线性光器件执行纠缠浓缩，实现简单，有效降低纠缠浓缩成本。
3)本发明提出的纠缠浓缩方法以4|λ0|2的概率恢复出|ψ>12345，成功概率达到最大，具有较高的实用性和可扩展性。
附图说明
图1是本发明的基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法的原理示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。
本发明设计针对5粒子线性纠缠态易受量子信道影响的问题，利用线性光器件，提出一种5粒子线性纠缠态的纠缠浓缩协议，协议成功概率达到最大，具有较高的实用性和可扩展性。
如图1所示，本发明提出一种基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法，该方法中各个参与方只能执行局域操作对5粒子线性纠缠态实现纠缠浓缩，且成功概率达到最大，
本发明详细说明如下：
步骤S1、纠缠态分发：5个参与方中一个参与方制备1个5粒子量子线性纠缠态，并将其中4个粒子通过量子信道发送给其余4个参与方，每个参与方拥有一个粒子。
S101、初始化：5个参与方Alice、Bob、Charlie、Daniel和Ellen需要构建一个量子多体系统，实现量子密码协议。
S102、制备量子态：Alice制备5粒子量子线性纠缠态
S103、传输量子态：Alice将制备的量子态通过量子信道发送给Bob、Charlie、Daniel和Ellen，传输后的量子多体系统为
|Ψ>12345＝λ0|HHVHV>12345+λ1|HHHVH>12345+λ2|VVHHV＞12345+λ3|VVVVH＞12345
其中，|λ0|≤|λj|，且|λ0λ3|≤|λ1λ2|。
步骤S2、纠缠态浓缩：根据量子信道特征，5个参与方中4个参与方对自己手中的粒子利用线性光器件执行局域操作。操作完成后，5个参与方共享原始5粒子量子线性纠缠态。理论上，步骤S2包括：S201、参与方Alice对自己手中的粒子执行如下操作：
L1＝|H＞＜V|+|V＞＜H|
S202、参与方Bob对自己手中的粒子执行如下操作：
S203、参与方Charlie对自己手中的粒子执行如下操作：
S204、参与方Daniel对自己手中的粒子执行如下操作：
S205、5个参与方将会以4|λ0|2的概率恢复出|ψ＞12345。
步骤S2的实际中操作时实验设备过程具体如下：
S211、参与方Alice将自己手中的粒子通过半波片HWP190，则量子多体系统变为
|Ψ1＞12345＝λ0|VHVHV＞12345+λ1|VHHVH＞12345+λ2|HVHHV＞12345+λ3|HVVVH＞12345；
S212、参与方Bob将自己手中的粒子依次通过半波片HWP290、偏振分束器偏振分束器PBS1，偏振分束器PBS1输出的水平偏振经过波片R2旋转角度θ2，水平偏振再通过偏振分束器PBS2后和偏振分束器PBS1输出的竖直偏振均通过偏振分束器PBS3，其中此时未归一化量子多体系统变为：
S213、参与方Charlie将自己手中的粒子依次通过半波片HWP390、偏振分束器PBS4，偏振分束器PBS4输出的竖直偏振经过波片R3旋转角度θ3后再通过偏振分束器PBS5，最后偏振分束器PBS4输出的竖直偏振和偏振分束器PBS4输出的水平偏振在偏振分束器PBS6汇合，其中 此时未归一化量子多体系统变为：
S214、参与方Daniel将自己手中的粒子通过偏振分束器PBS7，偏振分束器PBS7输出的竖直偏振经过波片R4旋转角度θ4后，再通过偏振分束器PBS8，最终PBS7输出的竖直偏振和偏振分束器PBS7输出的水平偏振在偏振分束器PBS9汇合，其中此时未归一化量子多体系统变为：
|Ψ4>12345＝λ0|VVHHV＞12345-λ0|VVVVH>12345-λ0|HHVHV>12345+λ0|HHHVH>12345
S215、Ellen不对自己手中的粒子做任何操作；将量子多体系统|Ψ4>12345归一化后，5个参与方以4|λ0|2的概率恢复出|ψ>12345。
其中，需要解释的是，纠缠浓缩就是把受噪声影响的态恢复为原始态。在图1中，1-5代表受噪声影响的粒子，1′-4′代表恢复为原始态的粒子。D1、D2、D3均是探测器，每个探测器探测的都是该条路径的脉冲，目的是为了保证最后1'、2'、3'、4'、5输出的是原始态。
本发明针对5粒子线性纠缠态上纠缠浓缩，通过分析信道发送前后量子态的变化，以纠缠浓缩成功概率最大值为目标函数、参数之间的关系为约束条件，利用线性光器件实现5粒子线性纠缠态的纠缠浓缩。本发明使用的实验器件为线性光器件，很容易在实验上实现。
上述实施例为本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。