非破坏性的贝尔态测量系统及测量方法与流程

本发明属于通信
技术领域：
，更进一步涉及一种贝尔态测量技术，可用于量子通信。
背景技术：
：基于量子力学的海森堡不确定性原理和量子态不可克隆定理，量子通信在物理原理上保证了无条件安全性，因而得到了广泛的重视，取得了快速的发展。量子纠缠被薛定谔称为是“量子力学的精髓”，是量子力学的一种独特的性质。量子纠缠是一种重要的资源，基于量子纠缠，量子通信可以完成许多用经典资源无法完成的信息传输和处理任务。贝尔态是典型的两个光子产生的纠缠态，包括4种量子态，分别是第一量子态|ψ+>12、第二量子态|ψ->12、第三量子态|φ+>12和第四量子态|φ->12。对贝尔态进行测量，对于分析未知纠缠对以及对基于纠缠光子的量子通信协议进行脆弱性分析有着非常重要的意义。贝尔态是最简单的两体量子纠缠态，由纠缠光子源产生第一光子和第二光子，在测量前这两个光子均处于不确定的状态，若对其中之一进行测量，则另一个的状态随之而定，即坍塌到确定态。传统的基于线性光学的测量方法不能完全区分这四个贝尔态，利用受控非门进行测量的典型方法也会破坏掉原来的贝尔态。美国人LOSSDANIEL(CH)申请的专利“FermionicBell-stateanalyzerandquantumcomputerusingsame”(专利申请号：US20070825808)，该专利申请的方法公开了一种贝尔态测量方法,其采用的方式是利用费米子的偏振特性和塞曼效应来确定费米子纠缠对所处的贝尔态，但这种方法与基于线性光学的测量方法一样，不能完全区分4种贝尔态，从而不能完全分析未知光子纠缠对，同时对基于纠缠光子的量子通信协议不能进行有效的窃听。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种非破坏性的贝尔态测量系统及测量方法，通过利用光学器件和量子比特的逻辑运算，在保持被测纠缠光子的状态不被破坏的前提下，测量出其所处的贝尔态。本发明的技术方案是这样实现的：一.本发明的非破坏性的贝尔态测量系统，包括：纠缠光子源，用于产生一对纠缠光子，即第一光子(1)和第二光子(2)；偏振单光子源，用于产生第一辅助单光子(X)、第二辅助单光子(Y)，第三辅助单光子(M)和第四辅助单光子(N)；光子传输路径，包括两条主传输路径(A1，A2)和四条辅助传输路径(B1，B2，B3，B4)，两条主传输路径(A1，A2)用于分别传输第一光子(1)和第二光子(2)，四条辅助传输路径(B1，B2，B3，B4)用于分别传输四个辅助单光子(X，Y，M，N)；单光子探测器，包括四个单光子探测器(D1，D2，D3，D4)，用于与测量模块相配合确定被测纠缠光子对(1，2)所处的贝尔态；测量模块，包括：前置第一测量子模块Q1，用于产生第一中间输出信号ω1；后置第一测量子模块用于将第一中间输出信号ω1转化为第一输出信号Ω1；前置第二测量子模块Q2，用于产生第二中间输出信号ω2；后置第二测量子模块用于将第二中间输出信号ω2转化为第二输出信号Ω2；所述前置第一测量子模块Q1与后置第一测量子模块串行连接，用于将第一输出信号Ω1同时输出给第一单光子探测器D1和第二单光子探测器D2；所述前置第二测量子模块Q2与后置第二测量子模块串行连接，用于将第二输出信号Ω2同时输出给第三单光子探测器D3和第四单光子探测器D4。二.利用非破坏性的贝尔态测量系统进行贝尔态测量的方法，包括如下步骤：1)由纠缠光子源产生纠缠光子对(1，2)，即第一光子(1)和第二光子(2)；2)由偏振单光子源产生第一辅助单光子(X)、第二辅助单光子(Y)、第三辅助单光子(M)和第四辅助单光子(N)，且第一辅助单光子(X)和第三辅助单光子(M)为空光子，第二辅助单光子(Y)和第四辅助单光子(N)的偏振方向均为水平方向；3)将第一光子(1)、第二光子(2)、第一辅助单光子(X)和第二辅助单光子(Y)分别沿着对应的第一主传输路径(A1)、第二主传输路径(A2)、第一辅助传输路径(B1)和第二辅助传输路径(B2)进行一次传输后，再依次通过第一前置测量子模块Q1和第一后置测量子模块进行二次传输，输出第一输出信号Ω1，然后将该第一输出信号Ω1同时传送给第一单光子探测器(D1)和第二单光子探测器(D2)中，驱动这两个单光子探测器进行响应，并记录这两个单光子探测器(D1，D2)的响应结果；4)将第一光子(1)、第二光子(2)、第三辅助单光子(M)和第四辅助单光子(N)沿着对应的第一主传输路径(A1)、第二主传输路径(A2)、第三辅助传输路径(B3)和第四辅助传输路径(B4)进行一次传输后，再依次通过第二前置测量子模块Q2和第二后置测量子模块Q2+进行二次传输，输出第二输出信号Ω2，然后将该第二输出信号Ω2同时传送给第三单光子探测器(D3)和第四单光子探测器(D4)中，驱动这两个单光子探测器进行响应，观察并记录这两个单光子探测器(D3，D4)的响应结果；5)根据这四个单光子探测器(D1，D2，D3，D4)的响应结果，确定被测纠缠光子对(1，2)的贝尔态：当第一单光子探测器(D1)和第四单光子探测器(D4)都有响应时，则纠缠光子对(1，2)所处的状态为第一量子态|ψ+>12；当第一单光子探测器(D1)和第三单光子探测器(D3)都有响应时，则纠缠光子对(1，2)所处的状态为第二量子态|ψ->12；当第二单光子探测器(D2)和第四单光子探测器(D4)都有响应时，则纠缠光子对(1，2)所处的状态为第三量子态|φ+>12；当第二单光子探测器(D2)和第三单光子探测器(D3)都有响应时，则纠缠光子对(1，2)所处的状态为第四量子态|φ->12。本发明具有如下优点：1.本发明致力于量子通信领域的研究热点和前沿问题，借助辅助单光子进行贝尔态测量，这对基于贝尔态测量的量子通信协议的脆弱性分析有着非常重要的意义；2.本发明搭建测量模块，充分利用光学器件和量子逻辑门，根据测量结果可完全确定被测纠缠光子对在4种贝尔态中的量子态；3.本发明中被测光子只作为控制因子通过测量子模块，促使系统状态发生变化，而保持被测光子的本身状态不被破坏，从而保证了测量的秘密性。附图说明图1为本发明的测量系统框图。图2为本发明的测量流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。参照图1，本发明的非破坏性贝尔态测量系统，包括：纠缠光子源，偏振单光子源，光子传输路径，单光子探测器和测量模块。所述纠缠光子源，用于产生一对纠缠光子，即第一光子1和第二光子2，该纠缠光子对的贝尔态有四种：第一量子态|ψ+>12、第二量子态|ψ->12、第三量子态|φ+>12和第四量子态|φ->12，分别表示如下：其中，|H>1表示第一光子1的偏振方向为水平，|H>2表示光子第二光子2的偏振方向为水平，|V>1表示第一光子1的偏振方向为垂直，|V>2表示第二光子2的偏振方向为垂直，|ψ+>12和|φ+>12中的‘+’表示这两个光子的组合偏振方向以加运算，|ψ->12和|φ->12中的‘-’表示这两个光子的组合偏振方向以减运算；所述偏振单光子源，用于产生第一辅助单光子X、第二辅助单光子Y，第三辅助单光子M和第四辅助单光子N；所述光子传输路径，包括主传输路径和四个辅助传输路径。其中，第一主传输路径A1用于传输第一光子1，第二主传输路径A2用于传输第二光子2；第一辅助传输路径B1用于传输第一辅助单光子X，第二辅助传输路径B2用于传输第二辅助单光子Y，第三辅助传输路径B3用于传输第三辅助单光子M，第四辅助传输路径B4用于传输第四辅助单光子N；所述单光子探测器，包括四个光子探测器，即第一单光子探测器D1、第二单光子探测器D2、第三单光子探测器D3和第四单光子探测器D4，用于接收系统的最终状态，并进行响应；所述测量模块，包括两个前置模块和两个后置模块，即第一前置测量子模块Q1、第一后置测量子模块第二前置测量子模块Q2和第二后置测量子模块第一前置测量子模块Q1与第一后置测量子模块串行连接，用于将第一输出状态Ω1同时输出给第一单光子探测器D1和第二单光子探测器D2；第二前置测量子模块Q2与第二后置测量子模块串行连接，用于将第二输出状态Ω2同时输出给第三单光子探测器D3和第四单光子探测器D4。第一前置测量子模块Q1，包括两个阿达马门、一个偏振分光棱镜和两个受控非门，即第一阿达马门H1、第二阿达马门H2、第一偏振分光棱镜S1、第一受控非门T1和第二受控非门T2；第一后置测量子模块包括两个受控非门、一个偏振分光棱镜和两个阿达马门，即第三受控非门T3、第四受控非门T4、第二偏振分光棱镜S2、第三阿达马门H3、第四阿达马门H4；第二前置测量子模块Q2，包括四个阿达马门、一个偏振分光棱镜和两个受控非门，即第五阿达马门H5、第六阿达马门H6、第七阿达马门H7、第八阿达马门H8、第三偏振分光棱镜S3、第五受控非门T5和第六受控非门T6；第二后置测量子模块包括两个受控非门、一个偏振分光棱镜和四个阿达马门，即第七受控非门T7、第八受控非门T8、第四偏振分光棱镜S4、第九阿达马门H9、第十阿达马门H10、第十一阿达马门H11、第十二阿达马门H12。上述十二个阿达马门、四个偏振分光棱镜和八个受控非门分布在两条主传输路径和四条辅助传输路径上，其中：第一辅助传输路径B1的前段分布有第一阿达马门H1、第一偏振分光棱镜S1和第一受控非门T1；第一辅助传输路径B1的后段上分布有第三受控非门T3、第二偏振分光棱镜S2和第三阿达马门H3；第二辅助传输路径B2的前段分布有第二阿达马门H2、第一偏振分光棱镜S1和第二受控非门T2，第二辅助传输路径B2的后段分布有第四受控非门T4、第二偏振分光棱镜S2和第四阿达马门H4；第二主传输路径A2的前段分布有第五阿达马门H5和第六阿达马门H6，第一主传输路径A1的后段分布有第九阿达马门H9和第十阿达马门H10；第三辅助传输路径B3的前段分布有第七阿达马门H7、第三偏振分光棱镜S3和第五受控非门T5，第三辅助传输路径B3的后段分布有第七受控非门T7、第四偏振分光棱镜S4和第十一阿达马门H11；第四辅助传输路径B4的前段分布有第八阿达马门H8、第三偏振分光棱镜S3和第六受控非门T6，第四辅助传输路径B4的后段分布有第八受控非门T8、第四偏振分光棱镜S4和第十二阿达马门H12。上述每个阿达马门的作用如下：将|H>i转化为将|V>i转化为将|H>j转化为将|V>j转化为其中，当i＝1,2时，|H>i表示第i光子的偏振方向为水平，|V>i表示第i光子的偏振方向为垂直；当j＝x时，|H>j表示第一辅助单光子X的偏振方向为水平，|V>j表示第一辅助单光子X的偏振方向为垂直；当j＝y时，|H>j表示第二辅助单光子Y的偏振方向为水平，|V>j表示第二辅助单光子Y的偏振方向为垂直；当j＝m时，|H>j表示第三辅助单光子M的偏振方向为水平，|V>j表示第三辅助单光子M的偏振方向为垂直；当j＝n时，|H>j表示第四辅助单光子N的偏振方向为水平，|V>j表示第四辅助单光子N的偏振方向为垂直。上述偏振分光棱镜，采用双输入双输出的光学器件，每个偏振分光棱镜的作用是：将|vac>x|H>y转化为|H>x|vac>y，将|vac>x|V>y转化为|vac>x|V>y，将|H>x|vac>y转化为|vac>x|H>y，将|V>x|vac>y转化为|V>x|vac>y，将|vac>m|H>n转化为|H>m|vac>n，将|vac>m|V>n转化为|vac>m|V>n，将|H>m|vac>n转化为|vac>m|H>n，将|V>m|vac>n转化为|V>m|vac>n，其中，|vac>x表示第一辅助单光子X为空，|vac>y表示第二辅助单光子Y为空；|H>x表示第一辅助单光子X的偏振方向为水平，|H>y表示第二辅助单光子Y的偏振方向为水平；|V>x表示第一辅助单光子X的偏振方向为垂直，|V>y表示第二辅助单光子Y的偏振方向为垂直；|vac>m表示第三辅助单光子M为空，|vac>n表示第四辅助单光子N空；|H>m表示第三辅助单光子M的偏振方向为水平，|H>n表示第四辅助单光子N的偏振方向为水平；|V>m表示第三辅助单光子M的偏振方向为垂直，|V>n表示第四辅助单光子N的偏振方向为垂直。上述受控非门，采用双选择门，其作用是根据控制因子的偏振方向来改变目标的状态：若控制因子的偏振方向为水平，则目标状态保持不变；若控制因子的偏振方向为垂直，则对目标状态进行如下转化：将|V>1|H>j转化为|V>1|V>j，j＝x，y，m，n；将|V>1|V>j转化为|V>1|H>j，将|V>2|H>j转化为|V>2|V>j，将|V>2|V>j转化为|V>2|H>j。其中，|V>1表示第一光子1的偏振方向为垂直，|V>2表示第二光子2的偏振方向为垂直；当j＝x时，|H>j表示第一辅助单光子X的偏振方向为水平，|V>j表示第一辅助单光子X的偏振方向为垂直；当j＝y时，|H>j表示第二辅助单光子Y的偏振方向为水平，|V>j表示第二辅助单光子Y的偏振方向为垂直；当j＝m时，|H>j表示第三辅助单光子M的偏振方向为水平，|V>j表示第三辅助单光子M的偏振方向为垂直；当j＝n时，|H>j表示第四辅助单光子N的偏振方向为水平，|V>j表示第四辅助单光子N的偏振方向为垂直。参照图2，本发明进行非破坏性贝尔态测量的步骤如下：步骤1，产生纠缠光子对。由纠缠光子源产生一对纠缠光子，即第一光子1和第二光子2，并假设纠缠光子对的初始状态为第二量子态|ψ->12。步骤2，产生两个辅助单光子X和Y，得到系统的第一初始状态δ1。由偏振单光子源同时产生第一辅助单光子X和第二辅助单光子Y，根据量子力学原理：系统的整体状态为相互独立的各子系统状态的直接乘积，得到系统的第一初始状态δ1为：δ1＝|ψ->12|vac>x|H>y，其中，|vac>x表示第一辅助单光子X为空，|H>y表示第二辅助单光子Y的偏振方向为水平。步骤3，第二光子2、第一辅助单光子X和第二辅助单光子Y通过第一前置测量子模块Q1，得到系统的第一中间输出状态ω1。3.1)第一辅助单光子X通过第一阿达马门H1，第二辅助单光子Y通过第二阿达马门H2，根据阿达马门的作用，将系统状态由第一初始状态δ1转化为第一前置测量子模块Q1的第一状态δ11：δ11＝1/2(|H>1|V>2-|V>1|H>2)|vac>x(|H>y+|V>y)，其中，|H>1表示第一光子1的偏振方向为水平，|H>2表示光子第二光子2的偏振方向为水平，|V>1表示第一光子1的偏振方向为垂直，|V>2表示第二光子2的偏振方向为垂直，|H>y表示第二辅助单光子Y的偏振方向为水平，|V>y表示第二辅助单光子Y的偏振方向为垂直，|vac>x表示第一辅助单光子X为空。3.2)第一辅助单光子X和第二辅助单光子Y通过第一偏振分光棱镜S1，根据偏振分光棱镜的作用，将系统状态由第一前置测量子模块Q1的第一状态δ11转化第一前置测量子模块Q1的第二状态δ12：δ12＝1/2|H>1(|V>2|H>x|vac>y+|V>2|vac>x|V>y)-1/2|V>1(|H>2|H>x|vac>y+|H>2|vac>x|V>y)，其中，|H>x表示第一辅助单光子X的偏振方向为水平，|vac>y表示第二辅助单光子X为空；3.3)第一辅助单光子X通过第一受控非门T1，第二辅助单光子Y通过第二受控非门T2，这两个受控非门的控制因子均为第二光子2，根据受控非门的作用，将系统状态由第一前置测量子模块Q1的第二状态δ12转化第一中间输出状态ω1：ω1＝1/2|H>1(|V>2|V>x|vac>y+|V>2|vac>x|H>y)-1/2|V>1(|H>2|H>x|vac>y+|H>2|vac>x|V>y)，其中，|V>x表示第一辅助单光子X的偏振方向为垂直。步骤4，第一光子1、第一辅助单光子X和第二辅助单光子Y通过第一后置测量子模块得到系统第一输出状态Ω1。4.1)第一辅助单光子X通过第三受控非门T3，第二辅助单光子Y通过第四受控非门T4，这两个受控非门的控制因子均为第一光子1，根据受控非门的作用，将系统状态由第一中间输出状态ω1转化为第一后置测量子模块的第一状态ω11：ω11＝1/2|H>1(|V>2|V>x|vac>y+|V>2|vac>x|H>y)-1/2|V>1(|H>2|V>x|vac>y+|H>2|vac>x|H>y)。4.2)第一辅助单光子X和第二辅助单光子Y通过第二偏振分光棱镜S2，根据偏振分光棱镜的作用，将系统状态由第一后置测量子模块的第一状态ω11转化为第一后置测量子模块的第二状态ω12：ω12＝1/2(|H>1|V>2-|V>1|H>2)(|V>x+|H>x)|vac>y。4.3)第一辅助单光子X通过第三阿达马门H3，第二辅助单光子Y通过第四阿达马门H4，根据阿达马门的作用，将系统状态由第一后置测量子模块的第二状态ω12转化为第一输出状态Ω1：Ω1＝|ψ->12|H>x|vac>y。步骤5，记录单光子探测器D1和D2的响应结果。将第一输出状态Ω1同时传送给第一单光子探测器D1和第二单光子探测器D2中，驱动这两个单光子探测器进行响应，并记录这两个单光子探测器的响应结果，如表1所示：表1第一响应结果初始状态|ψ+>12|ψ->12|φ+>12|φ->12最终状态|ψ+>12|H>x|vac>y|ψ->12|H>x|vac>y|φ+>12|vac>x|H>y|φ->12|vac>x|H>y响应结果D1响应D1响应D2响应D2响应从表1中可以得到：当第一单光子探测器D1有响应时，则纠缠光子对所处状态为第一量子态|ψ+>12或者第二量子态|ψ->12；当第二单光子探测器D2有响应时，则测纠缠光子对所处状态为第三量子态|φ+>12或者第四量子态|φ->12。步骤6，产生两个辅助单光子M和N，得到系统的第二初始状态δ2。由偏振单光子源产生第三辅助单光子M和第四辅助单光子N，根据量子力学原理：系统的整体状态为相互独立的各子系统状态的直接乘积，得到系统的第二初始状态δ2为：δ2＝|ψ->12|vac>m|H>n，其中，|ψ->12为纠缠光子对的第二量子态，|vac>m表示第三辅助单光子M为空，|H>n表示第四辅助单光子N的偏振方向为水平。步骤7，第二光子2、第三辅助单光子M和第四辅助单光子N通过第二前置测量子模块Q2，得到第二中间输出状态ω2。7.1)第二光子2通过第五阿达马门H5，第三辅助单光子M通过第七阿达马门H7，第四辅助单光子N通过第八阿达马门H8，根据阿达马门的作用，将系统状态由第二初始状态δ2转化为第二前置测量子模块Q2的第一状态δ21：其中，|H>1表示第一光子1的偏振方向为水平，|H>2表示光子第二光子2的偏振方向为水平，|V>1表示第一光子1的偏振方向为垂直，|V>2表示第二光子2的偏振方向为垂直，|vac>m表示第三辅助单光子M为空，|H>n表示第四辅助单光子N的偏振方向为水平，|V>n表示第四辅助单光子N的偏振方向为垂直。7.2)第三辅助单光子M和第四辅助单光子N通过第三偏振分光棱镜S3，根据偏振分光棱镜的作用，将系统状态由第二前置测量子模块Q2的第一状态δ21转化为第二前置测量子模块Q2的第二状态δ22：其中，|H>m表示第三辅助单光子M的偏振方向为水平，|vac>n表示第四辅助单光子N为空。7.3)第三辅助单光子M通过第五受控非门T5，第四辅助单光子N通过第六受控非门T6，这两个受控非门的控制因子均为第二光子2，根据受控非门的作用，将系统状态由第二前置测量子模块Q2的第二状态δ22转化为第二前置测量子模块Q2的第三状态δ23：其中，|V>m表示第三辅助单光子M的偏振方向为垂直。7.4)第二光子2通过第六阿达马门H6，根据阿达马门的作用，将系统状态由第二前置测量子模块Q2的第三状态δ23转化为第二中间输出状态ω2：ω2＝1/2|H>1|V>2(|H>m|vac>n+|vac>m|V>n)-1/2|V>1|H>2(|V>m|vac>n+|vac>m|H>n)步骤8，第一光子1、第三辅助单光子M和第四辅助单光子N通过第二后置测量子模块得到第二输出状态Ω2。8.1)第一光子1通过第九阿达马门H9，根据阿达马门的作用，将系统状态由第二中间输出状态ω2转变为第二后置测量子模块的第一状态ω21：8.2)第三辅助单光子M通过第七受控非门T7，第四辅助单光子M通过第八受控非门T8，这两个受控非门的控制因子均为第一光子1，根据受控非门的作用，将系统状态由第二后置测量子模块的第一状态ω21转化为第二后置测量子模块的第二状态ω22：8.3)第三辅助单光子M和第四辅助单光子N通过第四偏振分光棱镜S4，根据偏振分光棱镜的作用，将系统状态由第二后置测量子模块的第二状态ω22转化为第二后置测量子模块的第三状态ω23：8.4)第一光子1通过第十阿达马门H10，第三辅助单光子M通过第十一阿达马门H11，第四辅助单光子通过第十二阿达马门H12，根据阿达马门的作用，将系统状态由第二后置测量子模块的第三状态转化为第二输出状态Ω2为：Ω2＝|ψ->12|H>m|vac>n。步骤9，记录单光子探测器D3和D4的响应结果。将第二输出状态Ω2同时传送给第三单光子探测器D3和第四单光子探测器D4，驱动这两个单光子探测器进行响应，并记录这两个单光子探测器的响应结果，如表2所示：表2第二测量结果初始状态|ψ+>12|ψ->12|φ+>12|φ->12最终状态|ψ+>12|vac>m|H>n|ψ->12|H>m|vac>n|φ+>12|vac>m|H>n|φ->12|H>m|vac>n响应结果D4响应D3响应D4响应D3响应从表2中可以得到：当第三单光子探测器D3有响应时，则纠缠光子对所处状态为第二量子态|ψ->12或者第四量子态|φ->12；当第四单光子探测器D4有响应时，则测纠缠光子对所处状态为第一量子态|ψ+>12或者第三量子态|φ+>12。步骤10，输出测量结果。根据第一单光子探测器D1、第二单光子探测器D2、第三单光子探测器D3和第四单光子探测器D4的响应结果，得到最终的测量结果，如表2所示：表3最终测量结果初始状态|ψ+>12|ψ->12|φ+>12|φ->12最终状态|H>x|vac>y|vac>m|H>n|H>x|vac>y|H>M|vac>N|vac>x|H>y|vac>M|H>N|vac>x|H>Hy>M|vac>N响应结果D1、D4响应D1、D3响应D2、D4响应D2、D3响应由表3中可以得到：当第一单光子探测器D1和第四单光子探测器D4都有响应时，则纠缠光子对的状态为第一量子态|ψ+>12；当第一单光子探测器D1和第三单光子探测器D3都有响应时，则纠缠光子对的状态为第二量子态|ψ->12；当第二单光子探测器D2和第四单光子探测器D4都有响应时，则纠缠光子对的状态为第三量子态|φ+>12；当第二单光子探测器D2和第三单光子探测器D3都有响应时，则纠缠光子对的状态为第四量子态|φ->12。综上所述，本发明能在不破坏纠缠光子对的情况下，可准确测量出纠缠光子对的贝尔态，实现了非破坏性的贝尔态测量效果。当前第1页1 2 3