一种任意time-bin量子叠加态产生系统及方法与流程

本技术属于量子信息，具体而言，涉及一种任意time-bin量子叠加态产生系统及方法。

背景技术：

1、叠加性是量子信息的基本属性之一，量子叠加状态的制备是包括量子通信、量子计算在内的大部分量子信息应用的关键步骤。其中时间仓（time-bin）叠加是一种常用的叠加态制备形式，采用time-bin编码量子比特可以有效对抗传输通道中的损耗，相对于其他方式(偏振编码、相位编码等)的量子比特编码，time-bin 编码最适合长距离传输，广泛应用于量子密钥分发系统、量子行走系统、光量子计算系统中。

2、目前，多维time-bin叠加态的产生方式主要是采用n个不等臂干涉仪串联，通过调整不等臂干涉仪上的调制器，达到不同的延时时间，形成n维time-bin叠加态，具体如图1和图2所示，图1中每个不等臂干涉仪的相对延时时间均相等，图2中每个不等臂干涉仪的相对延时时间线性等量递增。因此实现n维time-bin编码则需要n个不等臂干涉仪，器件需求量和所占用的空间大，资源消耗多，成本高，且维度随不等臂干涉仪的设计个数而固定，无法适应性调节。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供一种任意time-bin量子叠加态产生系统及方法，采用等臂mz干涉仪和一个弯曲波导，通过电学调制不同循环中的相位调制器得到任意维度的time-bin量子叠加态，节省了资源与空间，不依赖于mz干涉仪的个数。其具体方案如下：

2、第一方面，本技术公开了一种任意time-bin量子叠加态产生系统，包括上位机、单光子源、等臂mz干涉仪、弯曲波导和控制器；

3、所述单光子源用于输出光子；

4、所述等臂mz干涉仪由第一分束器、干涉上臂、干涉下臂、相位调制器和第二分束器组成，所述干涉上臂的两端分别连接所述第一分束器的输出上端口和所述第二分束器的输入上端口，所述干涉下臂的两端分别连接所述第一分束器的输出下端口和所述第二分束器的输入下端口，所述相位调制器设置于所述干涉上臂上并基于所述控制器的控制调节单光子源输出的光子从所述第一分束器的输入下端口到所述第二分束器的输出下端口的通过率t0以及调节每个循环中的光子从所述第一分束器的输入上端口到所述第二分束器的输出下端口的通过率,分别对应t1、t2…tn，所述第一分束器的输入下端口用于接收单光子源输出的光子；所述第二分束器的输出下端口用于输出产生的time-bin量子叠加态：

5、|φ>=a0|0>+a1|1>+…+an|n>

6、其中，|φ>表示输出的量子叠加态；|0>表示单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口此过程的时间分量，|1>、|2>…|n>分别对应第一循环、第二循环……第n循环过程的时间分量；a0对应单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口此过程时间分量的概率幅值，a1、a2…an分别对应第一循环、第二循环……第n循环时间分量的概率幅值；n为设置的循环次数；每个循环的路径由两部分传输路径组成，分别为在弯曲波导上的传输路径以及在等臂mz干涉仪内的传输路径；

7、所述弯曲波导的两端分别连接所述第一分束器的输入上端口和所述第二分束器的输出上端口，用于将从所述第二分束器的输出上端口输出的光子传输至所述第一分束器的输入上端口；

8、所述上位机用于输入产生叠加态的参数并基于预先存储的关系式和输入的所述参数计算单光子源输出的光子从所述第一分束器的输入下端口到所述第二分束器的输出下端口的通过率t0以及每个循环中的光子从所述第一分束器的输入上端口到所述第二分束器的输出下端口的通过率，分别对应t1、t2…tn；

9、所述控制器分别与所述相位调制器和所述上位机连接，用于接收所述上位机输出的通过率t0、t1、t2…tn，并基于t0、t1、t2…tn分别对应调节所述相位调制器。

10、进一步地，所述预先存储的关系式满足：

11、a02=t0b1；

12、a12=(1-t0)b1t1(b2b1)；

13、a22=(1-t0)(1-t1)b1t2(b2b1)2；

14、…

15、an2=(1-t0)(1-t1)…(1-tn-1)b1tn(b2b1)n；

16、且a02+a12+…+an2=1；

17、其中，b1为等臂mz干涉仪的传输透过率，b2为弯曲波导的传输透过率，t0为单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口的通过率，t1、t2…tn分别对应第一循环、第二循环……第n循环中的光子从第一分束器的输入上端口到第二分束器的输出下端口的通过率。

18、进一步地，所述参数包括：等臂mz干涉仪的传输透过率b1、弯曲波导的传输透过率b2、预设的循环次数n、单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口此过程时间分量的概率幅值a0以及每个循环时间分量的概率幅值a1、a2…an。

19、进一步地，所述上位机包括依次连接的参数设置模块、数据处理模块和数据传输模块；所述参数设置模块用于输入产生叠加态的参数；所述数据处理模块基于预先存储的关系式以及所述参数设置模块输入的参数计算单光子源输出的光子从所述第一分束器的输入下端口到所述第二分束器的输出下端口的通过率t0以及每个循环中的光子从所述第一分束器的输入上端口到所述第二分束器的输出下端口的通过率t1、t2…tn；所述数据传输模块用于将t0、t1、t2…tn传输给所述控制器。

20、进一步地，所述产生系统还包括与所述控制器连接的光开关，所述光开关设置在所述单光子源与所述第一分束器的输入下端口的传输路径上，用于控制所述单光子源与所述第一分束器的输入下端口传输光路的通断。

21、进一步地，所述产生系统还包括与所述控制器连接的片上可调光延时结构，所述片上可调光延时结构设置在所述弯曲波导上，用于调节每个循环中的光子从所述第二分束器的输出上端口到所述第一分束器的输入上端口的延迟时间，且保持每个循环过程的延迟时间均相同。

22、第二方面，本技术还公开了一种任意time-bin量子叠加态产生方法，所述方法应用于上述的任意time-bin量子叠加态产生系统，所述方法包括：

23、在上位机上输入产生叠加态的参数，上位机基于输入的参数以及预先存储的关系式计算单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口的通过率t0以及每个循环中的光子从第一分束器的输入上端口到第二分束器的输出下端口的通过率t1、t2…tn；

24、单光子源向第一分束器的输入下端口输入光子，控制器根据t0调节相位调制器，使单光子源输出的光子以t0的通过率从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口，以（1- t0）的通过率从第二分束器的输出上端口进入第一循环中，通过弯曲波导输入至第一分束器的输入上端口；

25、控制器根据t1调节相位调制器，使第一循环中传输至第一分束器的输入上端口的光子以t1的通过率从第一分束器的输入下端口输入到第二分束器的输出下端口，以（1- t1）的通过率从第二分束器的输出上端口进入第二循环中，通过弯曲波导输入至第一分束器的输入上端口；

26、控制器根据t2调节相位调制器，使第二循环中传输至第一分束器的输入上端口的光子以t2通过率从第一分束器的输入下端口输入到第二分束器的输出下端口，以（1- t2）的通过率从第二分束器的输出上端口进入第三循环中，通过弯曲波导输入至第一分束器的输入上端口；以此循环……

27、控制器根据tn-1调节相位调制器，使第n-1循环中传输至第一分束器的输入上端口的光子以tn-1的通过率从第一分束器的输入下端口输入到第二分束器的输出下端口，以（1-tn-1）的通过率从第二分束器的输出上端口进入第n循环中，通过弯曲波导输入至第一分束器的输入上端口；

28、控制器根据tn调节相位调制器，使第n循环中传输至第一分束器的输入上端口的光子以tn的概率从第一分束器的输入下端口输入到第二分束器的输出下端口，完成一个叠加态产生周期内的相位调制器的对应调制，则从第二分束器的输出下端口输出的time-bin量子叠加态为：

29、|φ>=a0|0>+a1|1>+…+an|n>

30、其中，|φ>表示输出的量子叠加态；|0>表示单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口此过程的时间分量，|1>、|2>……|n>分别对应第一循环、第二循环……第n循环过程的时间分量；a0对应单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口此过程时间分量的概率幅值，a1、a2……an分别对应第一循环、第二循环……第n循环时间分量的概率幅值；n为设置的循环次数。

31、进一步地，当所述系统包括与控制器连接的光开关时，所述方法还包括：

32、控制器控制光开关导通，单光子源向第一分束器的输入下端口输入光子，待光子输入后断开光开关，进行当前叠加态产生周期内的时间编码；当完成当前叠加态产生周期内的相位调制器的调制后，控制器再次控制光开关导通，单光子源再次向第一分束器的输入下端口输入光子，待光子输入后断开光开关，开始下一叠加态产生周期的时间编码。

33、进一步地，当所述系统包括与控制器连接的片上可调光延时结构时，所述方法还包括：

34、控制器控制一个叠加态产生周期内每个循环中的光子从第二分束器的输出上端口到第一分束器的输入下端口的延迟时间，且保持每个循环中的光子延迟时间均相同。

35、进一步地，所述预先存储的关系式满足：

36、a02=t0b1；

37、a12=(1-t0)b1t1(b2b1)；

38、a22=(1-t0)(1-t1)b1t2(b2b1)2；

39、…

40、an2=(1-t0)(1-t1)…(1-tn-1)b1tn(b2b1)n；

41、且a02+a12+…+an2=1；

42、其中，b1为等臂mz干涉仪的传输透过率，b2为弯曲波导的传输透过率，t0为单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口的通过率，t1、t2…tn分别对应第一循环、第二循环……第n循环中的光子从第一分束器的输入上端口到第二分束器的输出下端口的通过率。

43、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

44、本技术提供了一种任意time-bin量子叠加态产生系统及方法，产生系统包括上位机、单光子源、等臂mz干涉仪、弯曲波导和控制器，等臂mz干涉仪由两个分束器以及设置在两个分束器之间的相位调制器组成，上位机基于输入的参数和预先存储的关系式计算单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口到第二分束器的输出下端口的通过率t0以及每个循环中的光子从第一分束器的输入上端口到第二分束器的输出下端口的通过率t1、t2…tn，控制器基于获取的各个过程中的通过率分别对应调节每个传输过程中的相位调制器，使每个循环中的光子分别以相应的概率从第一分束器的输入上端口输入至第二分束器的输出下端口，完成一个周期内的预设循环次数后，得到time-bin量子叠加态。本技术可以根据预设的循环次数以及预设的每个过程对应的时间分量，得到相应维度的time-bin量子叠加态，具有适应性调节的优点。由上述方案可知本技术采用等臂mz干涉仪和一个弯曲波导，通过调制不同循环中的相位调制器得到任意维度的time-bin量子叠加态，节省了资源与空间且不依赖于等臂mz干涉仪的个数。