一种量子克隆和量子密码攻防原理教学装置及教学方法与流程

本发明涉及量子信息与量子光学，尤其涉及一种量子克隆和量子密码攻防原理教学装置及教学方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、量子态不可克隆定理是保证量子通信无条件安全性的基本原理。量子(近似)克隆(quantum cloning)是指将一个量子比特复制成多个量子比特副本。量子态不可克隆定理指出，由于量子态的叠加和纠缠性质，无法将一个未知的量子态完全复制到另一个量子比特上，这保障了量子通信过程中信息不会被泄露或被篡改。因此在量子密码攻防中，量子克隆和量子态不可克隆定理的应用非常重要，此外，量子密码攻防还涉及到其他的技术，如多方量子密钥分发、量子隐形传态等。总之，量子态不可克隆定理是量子信息学中的重要概念，它们在量子密码攻防中发挥着重要的作用，这些技术可以用于实现无条件安全的通信和计算，保护信息安全和隐私，目前缺少针对上述重要量子信息概念的原理演示教学机。

3、光子是量子信息传输的最佳物理载体，对单光子量子态的量子近似克隆操作在物理上可以采用光子受激辐射的方法实现，但其通常依赖于非线性光学方法，实现复杂，且对泵浦激光光场要求较高，并且难于实现非对称的量子克隆操作。因此在普通物理实验室条件下，缺少可直接展示量子态不可克隆原理以及量子密码安全性的教学装置。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种量子克隆和量子密码攻防原理教学装置及教学方法，本发明设计的教学装置调节方便，且适用于多种不同的输入光源，可应用于普通物理教学、科技展示等应用领域。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种量子克隆和量子密码攻防原理教学装置。

4、一种量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，包括：按照光路方向依次设置的任意偏振量子态制备和测量模块、量子克隆机、以及单光子接收和分析光路模块，所述量子克隆机包括量子纠缠对和马赫曾德干涉仪；所述量子纠缠对的一路光子进入马赫曾德干涉仪，另一路光子进入单光子接收和分析光路模块；

5、所述任意偏振量子态制备和测量模块，用于将产生的单光子信号制备成任意偏振量子态，并对制备的所述任意偏振量子态进行测量；

6、所述量子克隆机，用于采用马赫曾德干涉仪，将任意偏振量子态制备和测量模块产生的单光子与量子纠缠对的一路光子进行干涉后，调节干涉光子的分束比，以此完成对任意单光子态的近似量子克隆操作，测量量子克隆机输出的量子态；

7、所述单光子接收和分析光路模块，用于测量量子纠缠对的另一路光子的量子态。

8、进一步地，所述任意偏振量子态制备和测量模块包括：任意偏振量子态制备模块，用于将产生的单光子信号制备成任意偏振量子态；所述任意偏振量子态制备模块包括：单光子源，用于输入单光子信号；在单光子源之后包括：沿光路依次排列的第一极化分束器、第一半波片以及第一四分之一波片。

9、更进一步地，所述单光子源采用半导体量子点单光子源、自发参量下转换过程预报单光子源、或通过衰减脉冲激光实现的单光子强度级别的赝单光子源。

10、进一步地，所述任意偏振量子态制备和测量模块还包括：测量模块，用于对制备的所述任意偏振量子态进行测量；所述测量模块，包括可拆卸反射镜，用于将任意偏振量子态制备模块产生的单光子经透射后进入量子克隆机，还用于将任意偏振量子态制备模块产生的单光子经反射后依次进入第二四分之一波片、第二半波片、第二极化分束器和第一单光子探测器。

11、进一步地，所述马赫曾德干涉仪包括：第一非偏振光学分束器、第二非偏振光学分束器和相位调节器，所述相位调节器通过上下平移调节通过光信号的相位。

12、更进一步地，由任意偏振量子态制备和测量模块产生的单光子、以及纠缠光子对的一路光子在第一非偏振光学分束器发生干涉后，一路光经相位调节器后进入第二非偏振光学分束器，另一路光直接进入第二非偏振光学分束器，之后在第二非偏振光学分束器发生干涉。

13、更进一步地，在第二非偏振光学分束器发生干涉后，一光进入第三单光子探测器；另一路光依次进入第三四分之一波片、第三半波片、第三极化分束器和第二单光子探测器。

14、更进一步地，所述单光子接收和分析光路模块，包括沿光路依次排列的第四四分之一波片、第四半波片、第四极化分束器以及第四单光子探测器。

15、本发明的第二个方面提供一种量子克隆和量子密码攻防原理教学方法。

16、一种量子克隆和量子密码攻防原理教学方法，采用第一个方面所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，包括：

17、采用任意偏振量子态制备和测量模块，将产生的单光子信号制备成任意偏振量子态，并测量制备的所述任意偏振量子态，计算所述任意偏振量子态的密度矩阵的第一保真度；

18、通过调节量子克隆机中的相位调节器，对任意单光子态进行非对称或对称量子克隆操作，测量量子克隆机输出的量子态，计算克隆机输出的量子态的密度矩阵的第二保真度；

19、通过单光子接收和分析光路模块，测量量子纠缠对的另一路光子的量子态，计算另一路光子的量子态的密度矩阵的第三保真度；

20、验证第二保真度和第三保真度与第一保真度之间的关系，通过调节马赫曾德干涉仪，验证量子态不可克隆不等式。

21、进一步地，在所述量子克隆机与单光子接收和分析光路模块之间，开展不同克隆条件下的量子密钥分发协议。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、本发明通过全周期调节相位片，可以形成一种任意可调节的非偏振分束器，从而实现任意信息分配的非对称量子克隆操作；可以对初始制备态以及量子克隆机输出的两份量子态进行测量，从而分析它们保真度满足的关系。本发明调节方便，互动性好利于教学展示，且适用于多种不同的输入光源，可应用于普通物理教学、科技展示等应用领域。

24、本发明通过纠缠光子对的分发能够展示真实场景基于纠缠态进行量子态远程传输的原理，有助于在教学过程中展示量子纠缠态的物理性质及其测量方法。

技术特征：

1.一种量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，其特征在于，包括：按照光路方向依次设置的任意偏振量子态制备和测量模块、量子克隆机、以及单光子接收和分析光路模块，所述量子克隆机包括量子纠缠对和马赫曾德干涉仪；所述量子纠缠对的一路光子进入马赫曾德干涉仪，另一路光子进入单光子接收和分析光路模块；

2.根据权利要求1所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，其特征在于，所述任意偏振量子态制备和测量模块包括：任意偏振量子态制备模块，用于将产生的单光子信号制备成任意偏振量子态；所述任意偏振量子态制备模块包括：单光子源，用于输入单光子信号；在单光子源之后包括：沿光路依次排列的第一极化分束器、第一半波片以及第一四分之一波片。

3.根据权利要求2所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，其特征在于，所述单光子源采用半导体量子点单光子源、自发参量下转换过程预报单光子源、或通过衰减脉冲激光实现的单光子强度级别的赝单光子源。

4.根据权利要求1所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，其特征在于，所述任意偏振量子态制备和测量模块还包括：测量模块，用于对制备的所述任意偏振量子态进行测量；所述测量模块，包括可拆卸反射镜，用于将任意偏振量子态制备模块产生的单光子经透射后进入量子克隆机，还用于将任意偏振量子态制备模块产生的单光子经反射后依次进入第二四分之一波片、第二半波片、第二极化分束器和第一单光子探测器。

5.根据权利要求1所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，其特征在于，所述马赫曾德干涉仪包括：第一非偏振光学分束器、第二非偏振光学分束器和相位调节器，所述相位调节器通过上下平移调节通过光信号的相位。

6.根据权利要求5所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，其特征在于，由任意偏振量子态制备和测量模块产生的单光子、以及纠缠光子对的一路光子在第一非偏振光学分束器发生干涉后，一路光经相位调节器后进入第二非偏振光学分束器，另一路光直接进入第二非偏振光学分束器，之后在第二非偏振光学分束器发生干涉。

7.根据权利要求6所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，其特征在于，在第二非偏振光学分束器发生干涉后，一光进入第三单光子探测器；另一路光依次进入第三四分之一波片、第三半波片、第三极化分束器和第二单光子探测器。

8.根据权利要求1-7任一项所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，其特征在于，所述单光子接收和分析光路模块，包括沿光路依次排列的第四四分之一波片、第四半波片、第四极化分束器以及第四单光子探测器。

9.一种量子克隆和量子密码攻防原理教学方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学装置，包括：

10.根据权利要求9所述的量子克隆和量子密码攻防原理教学方法，其特征在于，在所述量子克隆机与单光子接收和分析光路模块之间，开展不同克隆条件下的量子密钥分发协议。

技术总结本发明涉及量子信息与量子光学技术领域，提供了一种量子克隆和量子密码攻防原理教学装置及教学方法。该方法包括，按照光路方向依次设置的任意偏振量子态制备和测量模块、量子克隆机、以及单光子接收和分析光路模块；所述任意偏振量子态制备和测量模块，用于将产生的单光子信号制备成任意偏振量子态，并对制备的所述任意偏振量子态进行测量；所述量子克隆机，用于采用马赫曾德干涉仪，将任意偏振量子态制备和测量模块产生的单光子与量子纠缠对的一路光子进行干涉后，调节干涉光子的分束比，以此完成对任意单光子态的近似量子克隆操作，测量量子克隆机输出的量子态；所述单光子接收和分析光路模块，用于测量量子纠缠对的另一路光子的量子态。技术研发人员：徐佳敏,赵济全,张雪莹,吴孟艳,曹荣彬受保护的技术使用者：九章（济南）量子科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13