[发明专利]一种半设备无关的量子态层析方法

说明书

本发明公开了一种新型的量子态层析方法，涉及量子计算、量子通信以及量子测量技术领域，可以大大降低现有方法中对测量仪器的要求。利用自发参量下转换制备双光子源，通过Hong.Ou.Mandel干涉构建联合测量算符以实现对双光子的联合测量。双光子由一个待重构量子态与一个辅助态构成，只需制备一组信息完备的可信辅助态以及提供一个测量算符即可实现对未知态的重构，实现了半设备无关的量子态层析。同时，本发明此可以扩展到量子过程层析等其他量子信息处理领域。

技术领域

本发明涉及量子计算、量子通信以及量子测量技术领域，尤其涉及一种基于半设备无关的量子态层析方法。

背景技术

量子态层析技术在量子信息领域中充当着重要的角色。尤其是在面临根据对量子信息处理设备的输入与输出态进行完全而精确的测量从而去衡量量子信息处理设备的性能时显得尤为重要。量子态层析技术就是此类问题基本的解决方案。在量子态层析技术中，可以根据量子系统所产生输出的统计结果特性去重构出一个未知态。态层析技术包括两个方面，首先是系统的测量，其次是数据的处理。针对系统的测量，科学家们提出了设备相关等态层析方案。然而，在设备相关方案当中，测量设备被要求是信息完备的，即常常需要多个测量算符才可以重构出一个未知态。由于实验上很难制备复杂的测量算符，这就限制了态层析技术的发展。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供了一种半设备无关的量子态层析方法，该方法只需要制备一个测量算符而不是一组测量算符，同时，采用辅助态的信息完备性来取代算符的信息完备性即可对未知态进行重构。即通过一组信息完备的辅助态以及一个测量算符对未知态进行重构，可以大大降低现有方法中对测量仪器的要求。

技术方案：为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种半设备无关的量子态层析方法，包括参量光源的制备部分以及基于Hong.Ou.Mandel(HOM)干涉的联合测量部分；其中参量光源的制备部分利用激光通过非线性晶体泵浦产生自发参量下转换过程制备光子对；将两个光子分开作为HOM干涉的两路输入，一路进行辅助态的制备，另一路进行待测量子态的制备；

基于HOM干涉的联合测量部分包括两块1/2玻片、两块1/4波片、两个偏振分束器PBS以及一个光分束器BS；在HOM干涉的两路输入中，一路为辅助态，另一路为待测量子态即目标态；两路光信号分别从偏振分束器PBS经过1/2波片与1/4波片，然后作为光分束器BS的输入打到BS上；通过1/2波片与1/4波片制备任意偏振的待测量子态与辅助态；将1/2波片与1/4波片分别旋转到一定角度以构建一组层析完备的辅助态；

利用HOM干涉产生的联合测量算符与信息完备的辅助态，通过参数估计法实现对量子态的层析，还原待测量子态的具体形式。

进一步的，HOM干涉所使用的BS透射率范围是(0.42,0.58)。优选的，HOM干涉中用来进行态制备中的1/2波片和1/4波片均为真零级。优选的，将1/2波片与1/4波片分别旋转到(0,0),(45,0),(-22.5,45),(0,45)角度以构建一组层析完备的辅助态。

进一步的，HOM干涉的输出端使用单光子探测器作为测量设备，测量符合计数。

有益效果：本发明使用半设备无关的方案进行量子态层析实现对未知态的还原。相较需要一组层析完备测量算符的设备相关的方案来说，本方案只需要提供一个测量算符，同时利用一组信息完备的辅助态替代一组信息完备的测量算符即可实现对未知态的重构。由于态的制备比算符的制备简易的多，因此，本发明更为容易地实现对未知态的还原。同时，本发明利用HOM干涉进行测量算符的制备，此技术发展历史较长，并且集成度高，便于模块化，利于级联扩展使用。装置操作简单实用，对环境情况要求低，可以对任意的单光子态进行还原，实验结果表明本发明在各方面都具有良好的表现。

附图说明

图1是本发明的基于HOM干涉的联合测量装置图；

图2是本发明的参量光源制备实验装置图；