一种三自由度编码单光子的指示放大方法

技术特征：
1.一种三自由度编码单光子的指示放大方法，其特征在于，所述方法步骤如下：步骤一：用户1制备同时在极化和双纵向动量自由度上具有编码信息的单光子，形成信号光子，并发送给用户2；步骤二：用户2使用当前实验条件下不完美的单光子源产生辅助光子，作为每个放大器单元的辅助态；步骤三：用户2将每个空间模式下的信号光子和辅助态光子通入放大器单元，用户2对进入放大器单元的信号光子和辅助态光子进行一系列操作，由于放大概率不是百分之百，所以会产生多种输出态，不同的输出态将会导致每个放大器单元内的探测器得到不同的响应效果；步骤四：根据探测器的响应效果，选择保留需要的态，舍弃不符合条件的态，并计算方案的成功概率和信号态的保真度。2.根据权利要求1所述的一种三自由度编码单光子的指示放大方法，其特征在于，所述步骤一中，制备同时在极化和双纵向动量自由度上具有编码信息的单光子，其形式如下：其中，|h>和|v>被分别定义为水平极化和垂直极化，|l>，|r>，|i>和|e>分别被定义为左部、右部、内部和外部模式，每个自由度中的系数α，β，δ，η，ε，v满足|α|2 |β|2＝1，|δ|2 |η|2＝1，|ε|2 |v|2＝1；上式等效为一个单光子四模空间纠缠态，其中具有极化特性的单光子α|h> β|v>，以不同概率分布在四个空间模式|li>，|le>，|ri>，|re>下。3.根据权利要求1所述的一种三自由度编码单光子的指示放大方法，其特征在于，用户1通过量子信道将上述单光子发送给用户2；由于信道噪声的存在，可能出现光子传输损耗，上述单光子态退化为混合态。4.根据权利要求1所述的一种三自由度编码单光子的指示放大方法，其特征在于，在所述步骤二中，用户2使用当前实验条件下的单光子源制备不完美辅助态。5.根据权利要求1所述的一种三自由度编码单光子的指示放大方法，其特征在于，在所述步骤三中|li>，|le>，|ri>，|re>四个空间模式下设置放大器单元，将每个空间模式下的信号光子和辅助光子同时通入放大器单元，同时在四个空间模式上运行放大方案；每个放大器单元的主要组成部分为两个极化分束器(pbs)、两个50∶50分束器(bs)、两个可变分束器(vbs)和四个单光子探测器，各个光子会以不同的概率到达各个探测器和输出端口，输出端口之前有一个pbs，能将进入时被分开的极化态重新组合成具有初始形式的极化单光子态。6.根据权利要求5所述的一种三自由度编码单光子的指示放大方法，其特征在于，所述步骤四中根据计算，得到每个放大器单元内四类探测器响应情况对应的输出态是需要的态，将被保留；而其他探测器响应情况对应的输出态不是需要的态，将被舍弃。7.根据权利要求6所述的一种三自由度编码单光子的指示放大方法，其特征在于，所述步骤四中，当四个空间模式|li>，|le>，|ri>，|re>上的放大器单元均得到上述四种成功的探测结果之一时，整个指示放大方案成功，最终保留的输出态完美保留了输入信号态在三个自由度上的编码信息，并且，通过调节每个放大器中vbs的透射率，用户2可提高输出态中
单光子的保真度。

技术总结
本发明提出了一种三自由度编码单光子的指示放大方法，在四个空间模式上设置放大器设备，每个放大器设备使用当前实现条件下的单光子源产生的不完美单光子态作为辅助。让每个空间模式上的信号光子和辅助光子通过放大器进行操作，最终提取出新的混合态。本方法能有效提高输出混合态中单光子的保真度，并能完美保护其在三个自由度上的编码信息。本方法使用当前实验条件下常用的不完美光子源及其他线性光学器件，在当前实验条件下可以实现，具有较强的实用性。强的实用性。强的实用性。


技术研发人员：周澜 徐保文 盛宇波 钟伟
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2020.10.29
技术公布日：2022/5/5