量子纠缠纯化装置及方法
阅读说明：本技术 量子纠缠纯化装置及方法 (Quantum entanglement purification device and method ) 是由 刘超 周宗权 李传锋 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：一种量子纠缠纯化装置及方法,装置包括：量子纠缠建立模块,用于建立量子存储器之间的量子纠缠态；局域操作模块,用于将电磁脉冲分别作用于量子存储器上,使电磁脉冲与量子存储器的量子能级共振；激光模块,用于读取量子存储器中的激发使之放出反斯托克斯光子；局域探测模块,用于探测反斯托克斯光子,其中,量子存储器与局域探测模块一一对应；中央控制模块,用于根据局域探测模块的探测结果判断量子纠缠纯化是否成功,在未成功情况下控制量子纠缠建立模块、局域操作模块、激光模块及局域探测模块重复进行量子纠缠纯化。该装置及方法不限制初始量子纠缠态的保真度,可以通过控制量子纠缠纯化的实施次数实现高保真度的量子纠缠态。(A quantum entanglement purifying device and method, the device comprises: the quantum entanglement establishing module is used for establishing quantum entanglement states among the quantum memories; the local operation module is used for respectively acting the electromagnetic pulse on the quantum memory to enable the electromagnetic pulse to resonate with the quantum energy level of the quantum memory; the laser module is used for reading excitation in the quantum memory to enable the quantum memory to emit anti-Stokes photons; the local detection module is used for detecting anti-Stokes photons, wherein the quantum memories correspond to the local detection modules one to one; and the central control module is used for judging whether the quantum entanglement purification is successful or not according to the detection result of the local detection module and controlling the quantum entanglement establishing module, the local operation module, the laser module and the local detection module to repeatedly carry out the quantum entanglement purification under the unsuccessful condition. The device and the method do not limit the fidelity of the initial quantum entanglement state, and can realize the high-fidelity quantum entanglement state by controlling the implementation times of quantum entanglement purification.)
技术领域
本公开涉及量子信息通信领域，特别是涉及一种量子纠缠纯化装置及方法。
背景技术
量子通信可实现基于物理学原理的无条件安全通信，然而由于光子在光纤中的损耗随着传输距离的增加而指数增长，用单光子直接传输的方式无法实现长于500公里的量子通信。基于量子中继的通信方案可以有效地解决这个问题。段路明等人于2001年提出了基于原子系综之间单光子纠缠的量子中继方案(DLCZ方案)，该方案的好处在于其对光子的损失不敏感，从而有利于实现长距离的量子纠缠。该方案在多个物理体系中都具有广泛的应用，对量子通信的实际应用产生了极其深远的影响。
假设A、B两个量子存储器之间建立了量子纠缠态，表示为：
|0>A(B)表示量子存储器A(或者B)中所有的电子都是处于基态4上，这个状态可以称为量子存储器A(或者B)中没有激发，该态不可被读取。|1>A(B)表示量子存储器A(或者B)中有一个电子处于另一个亚稳的基态2上，这个状态可以称为量子存储器A(或者B)中有一个激发，该态可被读取。打一束跟该亚稳态以及光学激发态共振的激光，量子存储器A(或者B)就能释放出反斯托克斯光子。
由于实际条件的不理想，如信道的损耗、单光子探测器不具备100％的探测效率以及完全的光子数分辨能力等，不可避免的会引入一些噪声，从而导致A、B两个存储器都有一个激发的情况(这种状态写为|11〉AB)出现。因而上述的量子纠缠态可以用如下密度矩阵表示(忽略不影响保真度的真空项)：
其中，p1为|11〉AB相对于态出现的概率。该量子纠缠态的保真度F＝1/(1+p1)。显然，|11>AB态所占的比例越高，量子纠缠态的保真度越低。然而在实际的量子技术应用(如量子计算和量子隐形传态等)对量子纠缠态的保真度有着很高的要求。因而对量子纠缠态进行纯化来提高其保真度就显得尤为重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于上述技术问题，本公开提出一种量子纠缠纯化装置及方法，用于解决现有技术中由于实际条件的不理想导致的量子纠缠态的保真度不高的问题。
(二)技术方案
根据本公开第一方面，提供一种量子纠缠纯化装置，包括：量子纠缠建立模块，用于建立量子存储器之间的量子纠缠态；局域操作模块，用于将电磁脉冲分别作用于量子存储器上，使电磁脉冲与量子存储器的量子能级共振；激光模块，用于读取量子存储器中的激发使之放出反斯托克斯光子；局域探测模块，用于探测反斯托克斯光子，其中，量子存储器与局域探测模块一一对应；中央控制模块，用于根据局域探测模块的探测结果判断量子纠缠纯化是否成功，在未成功情况下控制量子纠缠建立模块、局域操作模块、激光模块及局域探测模块重复进行量子纠缠纯化。
可选地，中央控制模块还用于判断量子纠缠纯化成功后的量子纠缠态的保真度是否高于预设值；在保真度低于预设值的情况下，控制量子纠缠建立模块、局域操作模块、激光模块及局域探测模块重复进行量子纠缠纯化。
可选地，局域操作模块包括产生模块及施加模块；产生模块用于产生电磁脉冲；施加模块用于将电磁脉冲施加在量子存储器上，其中，施加模块包括镀银铜线圈或者三维谐振腔。
可选地，镀银铜线圈缠绕在量子存储器上，形成螺线管结构。
可选地，电磁脉冲包括射频或者微波脉冲。
可选地，量子存储器包括至少四个量子能级。
可选地，电磁脉冲与量子存储器的两个量子能级共振。
根据本公开的另一方面，提供一种基于量子纠缠纯化装置的量子纠缠纯化方法，包括：S1，建立量子存储器之间的量子纠缠态；S2，将电磁脉冲分别作用于量子存储器上，使电磁脉冲与量子存储器的量子能级共振；S3，读取量子存储器中的激发使之放出反斯托克斯光子；S4，探测反斯托克斯光子；S5，根据探测结果判断量子纠缠纯化是否成功，若是，则执行操作S6，若否，则重复执行操作S1～S4；S6，判断量子纠缠纯化成功后的量子纠缠态的保真度是否高于预设值，若否，则重复执行操作S2～S5，若是，则结束执行。
可选地，根据探测结果判断量子纠缠纯化是否成功包括：对于每一量子存储器，若均未探测到反斯托克斯光子，则量子纠缠纯化成功。
可选地，在操作S1中，建立量子存储器之间的量子纠缠态包括：基于DLCZ方案中的纠缠产生或纠缠交换建立量子存储器之间的单光子纠缠态。
(三)有益效果
本公开提出一种量子纠缠纯化装置及方法，有益效果为：该装置及方法在量子纠缠纯化的过程中，不限制初始量子纠缠态的保真度，而且可以通过控制量子纠缠纯化的实施次数，使最终量子纠缠态的保真度满足应用需求。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。其中：
图1示意性示出了本公开一实施例的量子纠缠纯化装置的结构框图；
图2示意性示出了本公开一实施例的量子纠缠纯化方法的流程图；
图3示意性示出了量子纠缠纯化方法中局域操作及局域探测的具体实施细节图；
图4示意性示出了量子纠缠态保真度随着纯化成功次数变化的曲线图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
本公开提供一种量子纠缠纯化装置及方法，该装置包括量子纠缠建立模块、局域操作模块、激光模块、局域探测模块及中央控制模块，通过各功能模块的相互作用，可实现高保真度的量子纠缠态。下面以两个量子存储器之间的量子纠缠态的纯化为具体实施例进行介绍。
图1示意性示出了本公开一实施例的量子纠缠纯化装置的结构框图。如图1所示，该装置例如可以包括：
量子纠缠建立模块，用于建立量子存储器之间的量子纠缠态。在本公开一些实施例中，量子存储器量子存储器包括至少四个量子能级，可以选择原子系综143Nd离子掺杂的硅酸钇晶体。在本实施例一可行的放置中，可以采用DLCZ方案中的纠缠产生或纠缠交换建立量子存储器之间的单光子纠缠态。
局域操作模块，用于将电磁脉冲分别作用于量子存储器上，使电磁脉冲与量子存储器的量子能级共振。具体的，局域操作模块可以包括产生模块及施加模块。产生模块用于产生电磁脉冲，其中，该电磁脉冲可以包括但不限于射频或者微波脉冲。施加模块用于将电磁脉冲施加在量子存储器，施加模块包括但不限于镀银铜线圈或者三维谐振腔。在本实施例一可行的方式中，施加模块选择镀银铜线圈，该线圈缠绕在量子存储器上，形成螺线管结构，可有效地施加各种电磁脉冲。施加的电磁脉冲可与量子存储器的两个量子能级共振。
激光模块，用于激发量子存储器使之放出斯托克斯光子以及读取量子存储器中的激发使之放出反斯托克斯光子。该斯托克斯光子由一束弱失谐激光脉冲激发，探测到一个斯托克斯光子就意味着量子存储器中有一个电子被激发并掉到了另一个亚稳的基态2上。打一束跟该亚稳的基态以及光学激发态共振的强激光脉冲，就能使该电子被激发到光学激发态然后再掉回到最开始的激发态，在这个过程中量子存储器放出一个反斯托克斯光子。反斯托克斯光子和斯托克斯光子严格关联。
局域探测模块，用于探测反斯托克斯光子。局域探测模块可以包括单光子探测器及经典通信模块。局域探测模块用于探测量子存储器放出的反斯托克斯光子，经典通信模块用于将探测的结果发送至中央控制模块。其中，量子存储器与单光子探测器一一对应，也即一个单光子探测器探测一个量子存储器放出反斯托克斯光子。
中央控制模块，用于根据局域探测模块的探测结果判断量子纠缠纯化是否成功，在未成功情况下控制量子纠缠建立模块、局域操作模块、激光模块及局域探测模块重复进行量子纠缠纯化。同时，在量子纠缠态纯化成功情况下，判断量子纠缠纯化成功后的量子纠缠态的保真度是否高于预设值；在保真度低于预设值的情况下，控制量子纠缠建立模块、局域操作模块、激光模块及局域探测模块重复进行量子纠缠纯化，直至量子纠缠态的保真度高于预设值。该保真度对应的预设值可根据实际应用需求设定，本发明不做限制。
其中，量子纠缠纯化成功的依据为：若各量子存储器对应的单光子探测器均未探测到反斯托克斯光子，则表明量子纠缠纯化成功，否则量子纠缠纯化失败。
该量子纠缠纯化装置在通过纯化量子纠缠态以提高量子纠缠态的保真度的过程中，不限制初始建立的量子纠缠态的保真度。
基于上述所述的量子纠缠纯化装置，本公开实施例还提供一种量子纠缠纯化方法，如图2所示，该方法例如可以包括：
S1，建立量子存储器之间的量子纠缠态。
在上述操作S1中，采用DLCZ方案中的纠缠产生或纠缠交换建立量子存储器之间的单光子纠缠态。
S2，将电磁脉冲分别作用于量子存储器上，使电磁脉冲与量子存储器的量子能级共振。
S3，读取量子存储器中的激发使之放出反斯托克斯光子。
S4，探测反斯托克斯光子。
S5，根据探测结果判断量子纠缠纯化是否成功，若是，则执行操作S6，若否，则重复执行操作S1～S4，重新建立初始量子纠缠态，并进行后续步骤直至纯化过程成功。
S6，判断量子纠缠纯化成功后的量子纠缠态的保真度是否高于预设值，若否，则重复执行操作S2～S5，若是，则结束执行。
方法实施例部分未尽细节之处请参见装置实施例部分，此处不再赘述。
下面以一个更具体的实例进一步说明上述量子纠缠纯化装置及方法。图3示意性示出了量子纠缠纯化方法中局域操作及局域探测的具体实施细节图，如图2所示，两个量子存储器A、B含有1、2、3、4共4个能级，其中，1为光学激发态4F3/2，4为基态4I9/2，2、3为亚稳态，对应基态的核自旋精细能级。采用光学泵浦的方法，可将2、3能级上的布居数转移到4能级上，从而实现布居数的初始化。假设A、B之间经历过多次纠缠交换最终成功建立了初始单光子纠缠态，其中只有10％的机会获得目标态，则A、B之间的初始单光子纠缠态表示为保真度F0＝10％。为了提高量子纠缠态的保真度，就必须要减小|11>AB态相对于态的比例，这可以通过量子纠缠纯化来实现。
具体的，首先，通过镀银铜线圈给A、B两个量子存储器分别施加一个π/2脉冲，该脉冲与量子存储器的两个亚稳态(2和3)共振。然后，施加一个与亚稳态2和光学激发态1共振的强激光脉冲，分别读取A、B两个量子存储器在亚稳态2上的激发，并用两个单光子探测器分别探测A、B两个量子存储器放出的反斯托克斯光子。只有当这两个量子存储器都探测不到反斯托克斯光子时，纯化过程成功，保留纯化后的量子态并进行后续步骤；否则失败，丢弃纯化后的量子态，重新建立初始量子纠缠态，并进行后续步骤直至纯化过程成功。经过一次纯化后，纯化后被保留的概率为1/2，那么|11>AB被保留的概率为1/4，因而，|11>AB态相对于态的比例减小为原来的1/2。若纯化过程成功，那么保留的量子纠缠态为其保真度增大为F1＝1/6。第两次纯化过程成功后，保留的量子纠缠态为其保真度增大为F2＝2/7。归纳上述结果，可以得到第n次纯化过程成功后，保留的量子纠缠态为其保真度变为原来的Fn＝1/(1+(10/2n))。
图4示意性示出了量子纠缠态保真度随着纯化成功次数变化的曲线图，如图4所示，经过7次纯化，量子纠缠态的保真度就能超过90％，也即，在条件许可的范围内，通过增加纯化次数可实现尽可能高的保真度，可见该装置及方法具有显著地提高量子纠缠态保真度的作用。若要求最终量子纠缠态的保真度不小于90％，则可通过中央控制模块，在第7次纯化过程成功后停止实验即可。具体的纯化次数可根据实际保真度的需求选择。
综上所述，本公开实施例提供一种量子纠缠纯化装置及方法，该装置及方法不限制初始量子纠缠态的保真度，可通过控制量子纠缠纯化的实施次数，实现量子纠缠态的高保真度，满足应用需求。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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