基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法与流程

1.本发明涉及量子信息领域，特别涉及一种基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法。


背景技术：

2.与经典物理理论不同，量子纠缠是属于量子世界真正的量子现象。对纠缠态的部分粒子的测量会影响其余粒子的状态。线性纠缠态是一种特殊的量子纠缠态，已广泛应用于量子信息和量子密码的各个领域，如量子纠错码、量子秘密分享、量子安全直接通信、量子密钥分发等。
3.已证明2粒子、3粒子线性纠缠态与bell态、3粒子ghz态等价，大于4粒子的线性纠缠态的纠缠维度较高，较难分析和实现5粒子线性纠缠态，且通常要将5粒子线性纠缠态通过量子信道发送给远程参与方，纠缠易受量子信道影响。而5粒子线性纠缠态在安全多方计算中应用较广。因此，行业内急需研发一种能实现5粒子线性纠缠态且能高质量传输5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法或者协议。


技术实现要素：

4.本发明技术解决的问题是：针对5粒子线性纠缠态易受量子信道影响的问题，利用线性光器件，提出一种基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法，该方法成功概率达到最大，具有较高的实用性和可扩展性。
5.本发明方案实现基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法，包括步骤：
6.步骤s1、纠缠态分发：5个参与方中一个参与方制备1个5粒子量子线性纠缠态，并将其中4个粒子通过量子信道发送给其余4个参与方，每个参与方拥有一个粒子；
7.步骤s2、纠缠态浓缩：根据量子信道特征，5个参与方中4个参与方对自己手中的粒子利用线性光器件执行局域操作；操作完成后，5个参与方共享原始5粒子量子线性纠缠态。
8.优选地，步骤s1具体如下：
9.s101、初始化：5个参与方构建一个量子多体系统；5个参与方分别为alice、bob、charlie、daniel和ellen；量子多体系统的表达式如下：
[0010][0011]
其中，下标12345分别表示5个粒子序号，|h>、|v>分别为水平偏振、竖直偏振；
[0012]
s102、制备量子态：参与方alice制备5粒子量子线性纠缠态；
[0013]
s103、传输量子态：参与方alice将制备的5粒子量子线性纠缠态通过量子信道发送给bob、charlie、daniel和ellen，传输后的量子多体系统为：
[0014]
|ψ>
12345
＝λ0|hhvhv>
12345
λ1|hhhvh>
12345
λ2|vvhhv>
12345
λ3|vvvvh>
12345
；
[0015]
其中，|λ0|≤|λ
j
|，且|λ0λ3|≤|λ1λ2|。
[0016]
优选地，其特征在于，线性光器件包括：半波片hwp1
90
、半波片hwp2
90
、半波片hwp3
90
、波片r2、波片r3、波片r4、偏振分束器pbs1、、偏振分束器pbs2、偏振分束器pbs3、偏振分束器pbs4、偏振分束器pbs5、偏振分束器pbs6、偏振分束器pbs7、偏振分束器pbs8；
[0017]
半波片hwp2
90
、偏振分束器pbs1、波片r2、偏振分束器pbs2、偏振分束器pbs3依次设置在同一水平光轴，且偏振分束器pbs1的透射端朝向波片r2、反射端连接偏振分束器pbs3，偏振分束器pbs2的反射端连接探测器d1；
[0018]
半波片hwp3
90
、偏振分束器pbs4、偏振分束器pbs6依次设置在同一水平光轴，且偏振分束器pbs4的透射端朝向偏振分束器pbs6的输入端，偏振分束器pbs4、波片r3、偏振分束器pbs5依次设置在同一竖直光轴，偏振分束器pbs4的反射端朝向波片r3，偏振分束器pbs6的投射端和偏振分束器pbs5的反射端垂直设置；
[0019]
偏振分束器pbs7、偏振分束器pbs9依次设置在同一水平光轴，且偏振分束器pbs7的透射端朝向偏振分束器pbs9的输入端，偏振分束器pbs7、波片r4、偏振分束器pbs8依次设置在同一竖直光轴，偏振分束器pbs8的反射端和偏振分束器pbs9的透射端竖直设置。
[0020]
优选地，线性光器件还包括：探测器d1、探测器d2和探测器d3；探测器对输入的脉冲进行探测，脉冲含有光子探测器响应，否则探测器不响应；探测器d1设置在偏振分束器pbs2的反射端，探测器d2设置在偏振分束器pbs5的透射端，探测器d3设置在偏振分束器pbs8的透射端。
[0021]
优选地，步骤s2具体如下：
[0022]
s201、参与方alice对自己手中的粒子执行如下操作：
[0023]
l1＝|h><v| |v><h|
[0024]
s202、参与方bob对自己手中的粒子执行如下操作：
[0025][0026]
s203、参与方charlie对自己手中的粒子执行如下操作：
[0027][0028]
s204、参与方daniel对自己手中的粒子执行如下操作：
[0029][0030]
s205、5个参与方将会以4|λ0|2的概率恢复出|ψ>
12345
。
[0031]
优选地，步骤s2还具体如下：
[0032]
s211、参与方alice将自己手中的粒子通过半波片hwp1
90
，则量子多体系统变为：
[0033]
|ψ1>
12345
＝λ0|vhvhv〉
12345
λ1|vhhvh〉
12345
λ2|hvhhv>
12345
λ3|hvvvh>
12345
；
[0034]
s212、参与方bob将自己手中的粒子依次通过半波片hwp2
90
、偏振分束器偏振分束器pbs1，偏振分束器pbs1输出的水平偏振经过波片r2旋转角度θ2，水平偏振再通过偏振分束
器pbs2后和偏振分束器pbs1输出的竖直偏振均通过偏振分束器pbs3，其中此时未归一化量子多体系统变为：
[0035][0036]
s213、参与方charlie将自己手中的粒子依次通过半波片hwp3
90
、偏振分束器pbs4，偏振分束器pbs4输出的竖直偏振经过波片r3旋转角度θ3后再通过偏振分束器pbs5，最后偏振分束器pbs4输出的竖直偏振和偏振分束器pbs4输出的水平偏振在偏振分束器pbs6汇合，其中其中此时未归一化量子多体系统变为：
[0037][0038]
s214、参与方daniel将自己手中的粒子通过偏振分束器pbs7，偏振分束器pbs7输出的竖直偏振经过波片r4旋转角度θ4后，再通过偏振分束器pbs8，最终pbs7输出的竖直偏振和偏振分束器pbs7输出的水平偏振在偏振分束器pbs9汇合，其中此时未归一化量子多体系统变为：
[0039]
|ψ4>
12345
＝λ0|vvhhv>
12345
‑
λ0|vvvvh>
12345
‑
λ0|hhvhv>
12345
λ0|hhhvh>
12345
[0040]
s215、将量子多体系统|ψ4>
12345
归一化后，5个参与方以4|λ0|2的概率恢复出|ψ>
12345
。
[0041]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0042]
1)本发明实现了对5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩，把受噪声影响的态恢复为原始5粒子量子线性纠缠态。因此，本发明保证了5粒子量子线性纠缠态的高质量传输。
[0043]
2)本发明利用线性光器件执行纠缠浓缩，实现简单，有效降低纠缠浓缩成本。
[0044]
3)本发明提出的纠缠浓缩方法以4|λ0|2的概率恢复出|ψ>
12345
，成功概率达到最大，具有较高的实用性和可扩展性。
附图说明
[0045]
图1是本发明的基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法的原理示意图。
具体实施方式
[0046]
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。
[0047]
本发明设计针对5粒子线性纠缠态易受量子信道影响的问题，利用线性光器件，提出一种5粒子线性纠缠态的纠缠浓缩协议，协议成功概率达到最大，具有较高的实用性和可扩展性。
[0048]
如图1所示，本发明提出一种基于线性光器件的5粒子量子线性纠缠态的纠缠浓缩方法，该方法中各个参与方只能执行局域操作对5粒子线性纠缠态实现纠缠浓缩，且成功概率达到最大，
[0049]
本发明详细说明如下：
[0050]
步骤s1、纠缠态分发：5个参与方中一个参与方制备1个5粒子量子线性纠缠态，并将其中4个粒子通过量子信道发送给其余4个参与方，每个参与方拥有一个粒子。
[0051]
s101、初始化：5个参与方alice、bob、charlie、daniel和ellen需要构建一个量子多体系统，实现量子密码协议。
[0052]
s102、制备量子态：alice制备5粒子量子线性纠缠态
[0053][0054]
s103、传输量子态：alice将制备的量子态通过量子信道发送给bob、charlie、daniel和ellen，传输后的量子多体系统为
[0055]
|ψ>
12345
＝λ0|hhvhv>
12345
λ1|hhhvh>
12345
λ2|vvhhv＞
12345
λ3|vvvvh＞
12345
[0056]
其中，|λ0|≤|λ
j
|，且|λ0λ3|≤|λ1λ2|。
[0057]
步骤s2、纠缠态浓缩：根据量子信道特征，5个参与方中4个参与方对自己手中的粒子利用线性光器件执行局域操作。操作完成后，5个参与方共享原始5粒子量子线性纠缠态。理论上，步骤s2包括：s201、参与方alice对自己手中的粒子执行如下操作：
[0058]
l1＝|h＞＜v| |v＞＜h|
[0059]
s202、参与方bob对自己手中的粒子执行如下操作：
[0060][0061]
s203、参与方charlie对自己手中的粒子执行如下操作：
[0062][0063]
s204、参与方daniel对自己手中的粒子执行如下操作：
[0064][0065]
s205、5个参与方将会以4|λ0|2的概率恢复出|ψ＞
12345
。
[0066]
步骤s2的实际中操作时实验设备过程具体如下：
[0067]
s211、参与方alice将自己手中的粒子通过半波片hwp1
90
，则量子多体系统变为
[0068]
|ψ1＞
12345
＝λ0|vhvhv＞
12345
λ1|vhhvh＞
12345
λ2|hvhhv＞
12345
λ3|hvvvh＞
12345
；
[0069]
s212、参与方bob将自己手中的粒子依次通过半波片hwp2
90
、偏振分束器偏振分束器pbs1，偏振分束器pbs1输出的水平偏振经过波片r2旋转角度θ2，水平偏振再通过偏振分束器pbs2后和偏振分束器pbs1输出的竖直偏振均通过偏振分束器pbs3，其中此时未归一化量子多体系统变为：
[0070][0071]
s213、参与方charlie将自己手中的粒子依次通过半波片hwp3
90
、偏振分束器pbs4，偏振分束器pbs4输出的竖直偏振经过波片r3旋转角度θ3后再通过偏振分束器pbs5，最后偏振分束器pbs4输出的竖直偏振和偏振分束器pbs4输出的水平偏振在偏振分束器pbs6汇合，其中其中此时未归一化量子多体系统变为：
[0072][0073]
s214、参与方daniel将自己手中的粒子通过偏振分束器pbs7，偏振分束器pbs7输出的竖直偏振经过波片r4旋转角度θ4后，再通过偏振分束器pbs8，最终pbs7输出的竖直偏振和偏振分束器pbs7输出的水平偏振在偏振分束器pbs9汇合，其中此时未归一化量子多体系统变为：
[0074]
|ψ4>
12345
＝λ0|vvhhv＞
12345
‑
λ0|vvvvh>
12345
‑
λ0|hhvhv>
12345
λ0|hhhvh>
12345
[0075]
s215、ellen不对自己手中的粒子做任何操作；将量子多体系统|ψ4>
12345
归一化后，5个参与方以4|λ0|2的概率恢复出|ψ>
12345
。
[0076]
其中，需要解释的是，纠缠浓缩就是把受噪声影响的态恢复为原始态。在图1中，1
‑
5代表受噪声影响的粒子，1
′‑4′
代表恢复为原始态的粒子。d1、d2、d3均是探测器，每个探测器探测的都是该条路径的脉冲，目的是为了保证最后1'、2'、3'、4'、5输出的是原始态。
[0077]
本发明针对5粒子线性纠缠态上纠缠浓缩，通过分析信道发送前后量子态的变化，以纠缠浓缩成功概率最大值为目标函数、参数之间的关系为约束条件，利用线性光器件实现5粒子线性纠缠态的纠缠浓缩。本发明使用的实验器件为线性光器件，很容易在实验上实现。
[0078]
上述实施例为本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。