[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

说明书

本发明公开了一种三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，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，将该信号光子通过量子信道传输至通信方2；通信方2使用参量下转换纠缠源产生的不完美纠缠态作为辅助，在4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；根据每个放大器内光子探测器响应情况判定放大结果；计算三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法成功概率、输出态中目标态的保真度和放大因子。本发明能有效保护单光子比特避免其在长距离传输中出现光子丢失并完美保留单光子在三个自由度上的编码信息，操作便捷、且在当前实验条件下可以实现，具有高实用性并易推广。

技术领域

本发明涉及一种三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，属于量子通信技术无噪声线性放大技术领域。

背景技术

在通信过程中，最为重要的是信息的安全和完整，此要求同样适用于量子通信。现有技术中，远程量子通信的主要阻碍便是光子在信道中传输时可能出现传输丢失，使得光子在光纤中的传播随着信道长度的增加呈指数衰减。由于量子的不可克隆定理的存在，量子态无法被准确复制，进而使得光子的传输存在一个极限的距离。另外，即使在极限距离之内，光子也有一定的概率发生丢失，这将使得单光子态变成一定概率的单光子和空态的混合态。在传输距离之内，光子丢失不仅严重影响量子通信的成功率保真度，而且影响其安全性。无线噪声线性放大(NLA)方案是解决光子传输丢失问题的有效方法，该方法由Ralph和Lund在2009年首次提出。2010年，Gisin等人提出一种基于单光子源的NLA单量子比特放大器，并将其用于与设备无关的量子密钥分配(DI-QKD)以克服传输损耗，开启了NLA已经被用于DI-QKD的大门。2011年，Zhang等人提出了保护单光子双模空间纠缠态(SPE)的NLA方案。2015年，Zhou等人利用交叉Kerr介质提出了第一个针对SPE的可循环NLA方案。通过循环使用该NLA方案，能有效地提高方案的总成功概率和目标SPE的保真度。在实验方面，2012年，Osorio等人在线性光学系统中实验实现了单光子比特的无噪声放大。2017年，Monteiro等人实现了SPE的NLA，克服了DI-QKD过程中的传输损耗和退相干。

超编码技术指同时在光子的多个自由度独立地进行编码，能够有效提高单光子的信道容量，进而提高量子通信的通信效率，已成为量子通信领域的重要资源。单光子编码的维度越高，单光子的信道容量越大，对提高量子通信效率越有利。近年来，Vallone研究组成功地在实验室中制备出同时在极化、双纵向动量等三个自由度上编码的单光子比特，该三自由度编码光子在远程量子通信领域具有重要的应用前景，已被应用到了与测量设备无关的量子密钥分配(QKD)以及量子安全直接通信(QSDC)中。然而，高维超编码的单光子在信道中传输的过程中仍然面临光子丢失问题。现有的NLA方案中还没有能够保护在极化、双纵向动量等三个自由度上编码的单光子比特。这极大地限制了基于该量子比特的量子通信协议的发展。因此，研究保护同时在极化、双纵向动量等三个自由度上编码的单光子比特的NLA方案对于未来高容量量子通信的发展具有重要意义。

发明内容

发明目的：本发明目的在于提供一种基于现有实验条件中常用的光源和线性光学器件，通过局域操作提高同时在极化和双纵向动量三个自由度上编码的单光子比特的保真度，并完美保留该量子比特在三个自由度上的编码信息的无噪声线性放大方法。

技术方案：本发明的三自由度编码单光子比特的无噪声线性放大方法，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中所得信号光子通过量子信道传输至通信方2；

步骤3：通信方2使用自发参量下转化纠缠源(SPDC源)产生的不完美纠缠态作为辅助，在|RE，|RI，|LI和|LE，分别表示右外，右内，左内，左外，4个空间模式上设置放大器，将4个空间模式上的信号光子和辅助光子通入放大器进行放大；