一种任意time-bin量子叠加态产生系统及方法

摘要

本申请公开了一种任意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，控制器基于获取的各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，得到量子叠加态。

说明书

技术领域

本申请属于量子信息技术领域，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

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。

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。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种任意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：

第一方面，本申请公开了一种任意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；

所述单光子源用于输出光子；

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T

|φ>=a

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；a

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；

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T

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T

进一步地，所述预先存储的关系式满足：

a

a

a

…

a

且a

其中，b

进一步地，所述参数包括：等臂MZ干涉仪的传输透过率b

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T

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。

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。

第二方面，本申请还公开了一种任意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：

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T

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T

控制器根据T

控制器根据T

控制器根据T

控制器根据T

|φ>=a

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；a

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：

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。

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：

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。

进一步地，所述预先存储的关系式满足：

a

a

a

…

a

且a

其中，b

总体而言，通过本申请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：

本申请提供了一种任意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T

附图说明

为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请现有技术的结构示意图；

图2为本申请现有技术的另一结构示意图；

图3为本申请一个实施例提供的一种任意time-bin量子叠加态产生系统的结构示意图；

图4为本申请中上位机的结构示意图；

图5为本申请另一实施例提供的一种任意time-bin量子叠加态产生系统的结构示意图；

图6为本申请再一实施例提供的一种任意time-bin量子叠加态产生系统的结构示意图；

图7为本申请基于图5和图6提供的一种任意time-bin量子叠加态产生系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

为了便于理解和解释本申请实施例提供的技术方案，下面将先对本申请的背景技术进行说明。

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。

基于此，本申请提供一种任意time-bin量子叠加态产生系统，如图3所示，包括上位机、单光子源、等臂MZ干涉仪、弯曲波导和控制器。

具体地，单光子源用于输出光子并传输至等臂MZ干涉仪，单光子源在单位时间内只能发出一个光子，这个单位时间即为单光子源输出光子的周期，可以根据具体实施过程调制输出光子的周期。

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，干涉上臂的两端分别连接第一分束器的输出上端口和第二分束器的输入上端口，干涉下臂的两端分别连接第一分束器的输出下端口和第二分束器的输入下端口，相位调制器设置于干涉上臂上。弯曲波导的两端分别连接第一分束器的输入上端口和第二分束器的输出上端口，用于将从第二分束器的输出上端口输出的光子传输至第一分束器的输入上端口。

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参数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T

相位调制器基于控制器的控制，调节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T

|φ>=a

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；a

控制器分别与相位调制器和上位机连接，用于接收上位机输出的通过率T

控制器基于上位机反馈的各通过率T

具体的过程为：单光子源输出的光子从第一分束器的输入下端口输入，控制器通过调节相位调制器的驱动电压或电流，使单光子源输出的光子以T

在本申请中，在上位机上预先存储的关系式满足：

a

a

a

…

a

且a

其中，b

光子在结构传输中存在光强损耗，在本申请中光子的光强损耗由等臂MZ干涉仪和弯曲波导的传输损耗引起，在本申请中设置等臂MZ干涉仪的传输通过率为b

上位机基于输入产生叠加态的参数和预先存储的关系式计算T

假设预生成6维time-bin量子叠加态，则对应六个时间分量，五次循环过程，六个时间分量分别为|0>、|1>、|2>…|5>，|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……第五循环过程的时间分量，需要设置6个概率幅值a

在本申请中，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，如图4所示。参数设置模块用于输入产生叠加态的参数。数据处理模块基于预先存储的关系式以及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T

在本申请的另一个实施例中，任意time-bin量子叠加态产生系统还包括与控制器连接的光开关，如图5所示，光开关设置在单光子源与第一分束器的输入下端口的传输路径上，用于控制单光子源与第一分束器的输入下端口传输光路的通断，以保证在一个叠加态产生周期内只有一个光子输入至第一分束器的输入下端口。

单光子源在单位时间内只发出一个光子，当单光子源输出光子的单位时间（单光子源输出光子的周期）大于等于叠加态产生周期时，则可以保证在一个叠加态产生周期内只有一个光子输入至第一分束器的输入下端口。但是当单光子源输出光子的单位时间小于叠加态产生周期时，则需要设置光开关以保证在一个叠加态产生周期内只有一个光子输入至第一分束器的输入下端口。具体地，光开关与控制器连接，当控制器在叠加态产生周期内逐一完成对相位调制器的相位调制后，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开始下一周期的量子叠加态产生过程，也即是下一周期的时间编码，待光子输入至第一分束器的输入下端口后断开光开关，控制器控制光开关断开与光开关导通的时间间隔小于单光子源输出光子的周期，以确保只有一个光子输入至第一分束器的输入下端口进行下一周期的时间编码。

在本申请中，光开关可以为机械式光开关或MZI型光开关。机械式光开关采用 1×1光开关即可，实现单光子源与第一分束器的输入下端口传输光路的通断。采用MZI型光开关时，通过精确调节干涉臂上的相位差实现光子的路径选择。具体地，当需要输入光子至第一分束器的输入下端口时，调整干涉臂上的相位差使光子从合束器的一个输出端口输入至等臂MZ干涉仪中的第一分束器的输入下端口，当需要阻断光子输入至等臂MZ干涉仪时，调节干涉臂上的相位差使光子在合束器的另一个输出端口输出并在自由空间中消耗。

此外，本申请还提供另一实施例，任意time-bin量子叠加态产生系统还包括与控制器连接的片上可调光延时结构，如图6所示，片上可调光延时结构设置在弯曲波导上，用于调节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。

具体地，在本申请中片上可调光延时结构为可调光延时线或可调光延时芯片。片上可调光延时结构基于控制器的控制，调节一个叠加态产生周期内每个循环过程的延迟时间，且保持在一个叠加态产生周期内每个循环过程的延迟时间都相同。

可调光延时结构的延迟时间可以在上位机上输入，上位机将输入的延迟时间反馈给控制器，控制器基于反馈的延迟时间调节一个叠加态产生周期内每个循环过程的延迟时间，也即是调节每个周期内时间分量间的时间间隔且保持一个周期内的时间间隔均相等。

基于图5和图6，本申请实施例还提供一种任意time-bin量子叠加态产生系统，如图7所示，time-bin量子叠加态产生系统包括光开关和片上可调光延时结构，光开关和片上可调光延时结构均与控制器连接。

由上述方案可知，本申请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。且本申请采用等臂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。

基于上述本申请实施例提供的任意time-bin量子叠加态产生系统，本申请实施例还对应提供了一种任意time-bin量子叠加态产生方法，所述方法包括：

S11：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T

在S11中，输入的参数包括等臂MZ干涉仪的传输透过率b

a

a

a

…

a

且a

上位机根据输入的b

S12：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T

由S11可知，在输入的参数中，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为a

S13：控制器根据T

由上述可知，第一循环时间分量的概率幅值为a

S14：控制器根据T

由上述可知，第二循环时间分量的概率幅值为a

S15：控制器根据T

由上述可知，第N-1循环时间分量的概率幅值为a

S16：控制器根据T

|φ>=a

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；a

由上述可知，第N循环时间分量的概率幅值为a

基于上述本申请实施例提供的任意time-bin量子叠加态产生方法，进一步地，当系统包括与控制器连接的光开关时，所述方法还包括：

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。

单光子源在单位时间内只发出一个光子，当单光子源输出光子的周期时间小于叠加态产生周期时，则需要设置光开关以保证在一个叠加态产生周期内只有一个光子输入至第一分束器的输入下端口。

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然后断开光开关，这里控制器控制光开关断开与光开关导通的时间间隔小于单光子源输出光子的周期，以确保只有一个光子输入至第一分束器的输入下端口进行当前叠加态产生周期内的时间编码。在一个周期内，光开关断开与光开关导通的时间间隔根据单光子源输出光子的频率设定，首先在上位机上输入光开关断开与光开关导通的时间间隔，然后上位机将此数据反馈给控制器，控制器根据反馈的时间间隔控制关开关断开的时间。当控制器在当前叠加态产生周期内逐一完成对相位调制器的相位调制后，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，这里控制器控制光开关导通的时间则根据叠加态产生周期内最后一个循环过程的相位调制信号，当控制器完成当前叠加态产生周期内最后一个循环过程对相位调制器的相位调制，则控制器控制光开关再次导通，单光子源再次向第一分束器的输入下端口输入光子开始下一叠加态产生周期的时间编码。

基于上述本申请实施例提供的任意time-bin量子叠加态产生方法，进一步地，当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：

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。

可调光延时结构的延迟时间可以在上位机上输入，上位机将输入的延迟时间反馈给控制器，控制器基于反馈的延迟时间调节一个叠加态产生周期内每个循环过程的延迟时间，也即是调节每个周期内时间分量间的时间间隔且保持一个周期内的时间间隔均相等。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。