[发明专利]三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法

权利要求书

1.一种三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通信方1制备一个在极化和双纵向动量三个自由度上同时独立编码的单光子比特，作为信号光子；

步骤2：通信方1将步骤1中制备的信号光子通过量子信道传输至通信方2；

步骤3：通信方2使用当前实验中常用的参量下转换纠缠源-SPDC源产生的纠缠态作为辅助，在|RE，|RI，|LI和|LE4个空间模式上设置放大器，将信号光子和辅助光子通入放大器进行放大，|RE，|RI，|LI和|LE分别表示右外，右内，左内，左外四个空间模式；

步骤4：根据放大器中光子探测器响应情况，判定放大结果；

步骤5：计算三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方案的成功概率、输出态中目标态的保真度和放大因子，

所述步骤3中SPDC源产生辅助光子态为：

其中代表空态，

代表产生了一对纠缠光子，

代表产生了两对纠缠光子，1-ξ-ξ²表示辅助态为空态的概率，ξ²表示辅助态为双光子的概率，

所述步骤3的任一放大器内，一共有4种探测器响应情况对应放大成功，即光子探测器D₂D₈、D₂D₅、D₃D₈或D₃D₅各探测到一个光子。

2.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，步骤1中，所述单光子比特形式为

|H和|V分别表示光子的水平极化和垂直极化， |L、|R、|1和|E分别表示光子左部、右部、内部和外部的空间模式，α，β，δ， η，ε，v表示三个自由度上的编码系数，所述编码系数满足|α|²+|β|²＝1，|δ|²+|η|²＝1，|ε|²+|v|²＝1的条件。

3.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，步骤2中，所述通信方2接受到量子态为混合态，其表达式为ρ_in＝F|ΨΨ|+(1-F)|vacvac|，其中|vac为空态，F为概率。

4.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，步骤3中，所述放大器包括6个极化分束器、2个透射率为t的可变分束器、2个50：50分束器、1个半波片、1个SPDC源和8个光子探测器。

5.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，所述信号光子的输入态合并辅助光子的辅助态得到以下5种情况：

a)辅助态为空态，无论输入态为空态或非空态，无法使所有放大器均得到成功的探测器响应情况；

b)辅助光子为单光子对，输入态为单光子，在所有放大器均得到成功的探测器响应情况时，得到输出态为目标态；

c)辅助光子为单光子对，输入态为空态，在所有放大器均得到成功的探测器响应情况时，得到输出态为空态；

d)辅助光子为双光子对，输入态为单光子，在所有放大器均得到成功的探测器响应情况时，得到输出态为干扰态；

e)辅助光子为双光子对，输入态为空态，在所有放大器均得到成功的探测器响应情况时，得到输出态为干扰态。

6.根据权利要求5所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，所述通信方2对所有放大器都得到成功的探测器响应情况对应的输出态执行保留操作，对其余输出态执行舍弃操作。

7.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，步骤4中，所述放大器通过调节可变分束器的透射率，提高目标态的保真度。

8.根据权利要求1所述的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，其特征在于，所述放大器只需要SPDC源产生一对纠缠光子态作为辅助态。