本發(fā)明屬于量子光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、在量子信息處理中，由于信道中不可避免的損耗及實驗中的可能存在的各種噪聲，不僅會導(dǎo)致量子態(tài)的退相干而丟失量子信息，降低通信效率，還會降低相位測量的精度，增大相位的不確定性。相位不敏感的無噪聲量子概率放大技術(shù)是解決這些問題的重要工具之一。這種量子放大器的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于它能夠在放大量子態(tài)的同時，幾乎不引入額外的噪聲。在實際應(yīng)用中可以用于增強(qiáng)量子通信的可靠性，同時由于對相位測量精度的提高，對于精密測量、量子傳感和量子計量等應(yīng)用也至關(guān)重要。

2、2009年，ralph等人提出了一種使用單光子探測器和輔助單光子源進(jìn)行無噪聲放大的方法，這種放大器簡稱為nla(noiseless?linear?amplifier)。該方法一經(jīng)提出就引起了廣泛關(guān)注，在此之前的相位不敏感量子放大器在作用于量子態(tài)時無法規(guī)避噪聲的引入，nla的出現(xiàn)說明對量子態(tài)預(yù)示性的無噪聲概率放大是可能的。之后基于ralph等人的方案，研究者們做出了各種方法應(yīng)用的嘗試，如結(jié)合隱形傳態(tài),最優(yōu)糾纏交換及多路復(fù)用的量子誤差校正方案等。然而由于涉及非高斯的資源和操作的需要，在實驗中實現(xiàn)的技術(shù)難度大。因此很多具有相同放大作用的其他方法陸續(xù)被提出。

3、一類方法是在測量后加入后選擇濾波函數(shù)模擬nla，該方法的理論在2012年被提出，并在兩年后通過實驗實現(xiàn)。而后結(jié)合確定性量子放大器，有概率克隆證明，抑制熱退相干等應(yīng)用。后選擇函數(shù)需要設(shè)置截斷值，當(dāng)截斷值取與測量總數(shù)相關(guān)的可變值時，測量數(shù)據(jù)拒絕率隨測量總數(shù)的增加而上升，雖然模擬程度好但實驗效率低；當(dāng)取截斷值為固定值時，后選擇操作更高效但模擬程度更低，且安全分析更復(fù)雜。另一類方法大膽的在信號態(tài)中加入熱噪聲，結(jié)合光子減法來完成對量子態(tài)的有效放大。由于方案設(shè)計巧妙簡單且無需非高斯資源，同年便有人完成了對應(yīng)的實驗工作。但是此方案的成功概率很低，只有百分之幾的數(shù)量級。為了獲得更高的保真度和有效放大增益，基于單光子加減法相結(jié)合的無噪聲放大方案被提出，并改進(jìn)至只需要結(jié)合光子減法與輔助高斯壓縮高斯真空態(tài)。第三類方法是將量子態(tài)比較用于放大量子態(tài)，通過比較兩個或多個量子態(tài)的相似性或差異性，后選擇的保留符合特定相位關(guān)系的量子態(tài)，從而實現(xiàn)沒有額外噪聲的量子態(tài)放大。量子態(tài)比較也可以與其他量子操作(如光子加法或減法)結(jié)合，以進(jìn)一步增強(qiáng)放大效果。然而，該方法依賴于多次重復(fù)測量和后選擇，需要耗費大量的輔助資源態(tài)，增加了實驗的資源需求。這些量子放大方案本質(zhì)上都是概率性的，因此提升成功概率和放大增益是提高量子放大方案實際可用性和可拓展性的重要研究方向。

4、在這些量子放大方案中，結(jié)合熱噪聲與光子減法的量子放大器方案尤其值得關(guān)注。該方案在不使用任何非經(jīng)典資源或強(qiáng)參數(shù)相互作用的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)無噪聲的相位信息放大。雖然研究者們提出了很多方法來改進(jìn)該放大方案，提高保真度與放大增益等系統(tǒng)性能，這些方案在理論和實驗上也取得了一定的成功。但都是提出新的放大器方案設(shè)計，并未試圖解決此量子放大器方案放大性能好但成功概率很低的關(guān)鍵問題。尤其是在原始方案中，當(dāng)使用多光子減法操作時，隨著減去的光子數(shù)增加，成功率會迅速降低，更加接近于零。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器及其設(shè)計方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中使用多光子減法操作時，隨著減去的光子數(shù)增加，成功率會迅速降低的問題。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

3、一種環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器，包括量子態(tài)放大模塊、光子減法模塊；所述量子態(tài)放大模塊將輸入的任意相干態(tài)加入熱噪聲后，導(dǎo)致相干態(tài)的隨機(jī)位移變換，獲取高斯混合輸出態(tài)；光子減法模塊包括分束器、單光子探測器、以及分束器兩端的量子光開關(guān)，真空態(tài)與量子態(tài)放大模塊的輸出態(tài)在分束器處耦合，執(zhí)行單光子減法，利用單光子探測器在分束器處探測光子，如果探測到光子，輸出放大后的量子態(tài)，否則，量子光開關(guān)將量子態(tài)轉(zhuǎn)入環(huán)路，重新執(zhí)行光子減法。

4、所述環(huán)路預(yù)先設(shè)定最大循環(huán)次數(shù)。

5、所述最大循環(huán)次數(shù)根據(jù)成功概率和放大效果確定。

6、所述最大循環(huán)次數(shù)增加時，相應(yīng)的最優(yōu)熱噪聲減少。

7、環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器的設(shè)計方法，包括如下步驟：

8、步驟1、將任意相干態(tài)加入熱噪聲，導(dǎo)致相干態(tài)的隨機(jī)位移變換，獲取輸出態(tài)；

9、步驟2、將真空態(tài)與步驟1的輸出態(tài)在分束器處耦合，執(zhí)行單光子減法；

10、步驟?3、利用單光子探測器在分束器耦合處探測光子，若成功探測到光子，直接得到放大后輸出的量子態(tài)；否則，執(zhí)行步驟4；

11、步驟4、判斷循環(huán)次數(shù)是否大于最大預(yù)設(shè)值，若不大于，將探測失敗后的量子態(tài)重新轉(zhuǎn)入環(huán)路，執(zhí)行光子減法，并返回執(zhí)行步驟3；否則，丟棄該量子態(tài)。

12、應(yīng)用量子光開關(guān)將探測失敗后的量子態(tài)重新轉(zhuǎn)入環(huán)路。

13、步驟1中，相干態(tài)加入熱噪聲后的密度矩陣表示為：

14、

15、其中，，為輸入相干態(tài)的幅值，為積分變量，為熱噪聲光子數(shù)，為復(fù)變量在復(fù)平面上的二重積分元素。

16、無環(huán)路下探測成功后，輸出態(tài)的密度矩陣變?yōu)椋?/p>

17、

18、其中，,為分束器的透過率，

19、預(yù)示的成功概率為。

20、步驟4中，第次循環(huán)探測成功時，量子態(tài)的密度矩陣為：

21、

22、其中，，為低效光開關(guān)等價建模得到的分束器的透過率，為對應(yīng)的成功概率。

23、平均所有探測成功的環(huán)路次數(shù)可能性后，成功概率為，得到最終態(tài)的密度矩陣為：

24、。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

26、1、該方案在光子減法步驟中加入了一個反饋環(huán)路，允許當(dāng)探測失敗時，量子態(tài)進(jìn)入環(huán)路并重復(fù)光子減法操作。實驗結(jié)果表明，加入環(huán)路后，量子放大器的成功率得到了顯著提升，同時也減少了量子態(tài)的退相干。

27、2、在不同條件下，通過選擇最優(yōu)噪聲參數(shù)，可以實現(xiàn)最低的相位方差。研究了現(xiàn)實光子探測器及光開關(guān)的非理想性對放大器性能的影響，為量子放大技術(shù)的實際應(yīng)用和可拓展性提供了新的可能性，也為未來量子信息技術(shù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

28、3、熱噪聲和光子減法組成的量子放大器模型不需要任何非高斯資源或強(qiáng)參數(shù)相互作用，可以實現(xiàn)無噪聲的相位信息放大，且實驗所需技術(shù)簡單。

29、4、環(huán)路的加入可以實現(xiàn)具有更高成功概率和更少量子退相干的量子態(tài)放大過程，該環(huán)路輔助的量子放大器被證明具有更優(yōu)的現(xiàn)實性能。

技術(shù)特征：

1.一種環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器，其特征在于：包括量子態(tài)放大模塊、光子減法模塊；所述量子態(tài)放大模塊將輸入的任意相干態(tài)加入熱噪聲后，導(dǎo)致相干態(tài)的隨機(jī)位移變換，獲取高斯混合輸出態(tài)；光子減法模塊包括分束器、單光子探測器、以及分束器兩端的量子光開關(guān)，真空態(tài)與量子態(tài)放大模塊的輸出態(tài)在分束器處耦合，執(zhí)行單光子減法，利用單光子探測器在分束器處探測光子，如果探測到光子，輸出放大后的量子態(tài)，否則，量子光開關(guān)將量子態(tài)轉(zhuǎn)入環(huán)路，重新執(zhí)行光子減法。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器，其特征在于：所述環(huán)路預(yù)先設(shè)定最大循環(huán)次數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器，其特征在于：所述最大循環(huán)次數(shù)根據(jù)成功概率和放大效果確定。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器，其特征在于：所述最大循環(huán)次數(shù)增加時，相應(yīng)的最優(yōu)熱噪聲減少。

5.環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器的設(shè)計方法，其特征在于：包括如下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器的設(shè)計方法，其特征在于：應(yīng)用量子光開關(guān)將探測失敗后的量子態(tài)重新轉(zhuǎn)入環(huán)路。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器的設(shè)計方法，其特征在于：步驟1中，相干態(tài)加入熱噪聲后的密度矩陣表示為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器的設(shè)計方法，其特征在于：無環(huán)路下探測成功后，輸出態(tài)的密度矩陣變?yōu)椋?/p>

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器的設(shè)計方法，其特征在于：步驟4中，第次循環(huán)探測成功時，量子態(tài)的密度矩陣為：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器的設(shè)計方法，其特征在于：平均所有探測成功的環(huán)路次數(shù)可能性后，成功概率為，得到最終態(tài)的密度矩陣為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種環(huán)路輔助的量子態(tài)放大器，包括量子態(tài)放大模塊、光子減法模塊；所述量子態(tài)放大模塊將輸入的任意相干態(tài)加入熱噪聲后，導(dǎo)致相干態(tài)的隨機(jī)位移變換，獲取高斯混合輸出態(tài)；光子減法模塊包括分束器、單光子探測器、以及分束器兩端的量子光開關(guān)，真空態(tài)與量子態(tài)放大模塊的輸出態(tài)在分束器處耦合，執(zhí)行單光子減法，利用單光子探測器在分束器處探測光子，如果探測到光子，輸出放大后的量子態(tài)，否則，量子光開關(guān)將量子態(tài)轉(zhuǎn)入環(huán)路，重新執(zhí)行光子減法。該方案在光子減法步驟中加入了一個反饋環(huán)路，允許當(dāng)探測失敗時，量子態(tài)進(jìn)入環(huán)路并重復(fù)光子減法操作。使得量子放大器的成功率得到了顯著提升，同時也減少了量子態(tài)的退相干。

技術(shù)研發(fā)人員：周日貴,李鑫
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海海事大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9