技术领域
[0001] 本
发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子比特的制备方法及装置。
背景技术
[0002] 量子信息技术起源于20世纪80年代，主要包括了
量子计算和量子通信两大方向。量子信息技术中的量子秘钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术，可提供物理上的无条件安全信息传输能
力，被认为是一种安全性最高的加密方式。也正因为如此，目前QKD技术的应用越来越广泛。在QKD技术的实现过程中，密钥分发的前提是制备量子比特。
[0003] 目前，
现有技术中提供了一种制备量子比特的装置及方法，如图1所示，具体包括：单
光子光源11、12、13和14四个单光子光源、第一光
波导15、第二光波导16和不等臂
马赫曾德干涉仪(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer，AMZI)17。其中，第二光波导16的长度大于第一光波导15的长度；AMZI17包括第三光波导171、第四光波导172、
相位调制器173、两个3dB
耦合器174，第三光波导171的长度大于第四光波导172的长度，相当于AMZI的两条干涉臂；
相位调制器173位于任意一个干涉臂对应的传输路径上；两个3dB耦合器分别位于两条干涉臂的两端。其工作原理具体为：单光子光源11发出的单光子脉冲，经过第一光波导
15形成一个前时序脉冲态|F>；单光子光源12发出的单光子脉冲，经过第二光波导16形成一个后时序脉冲态|S>；单光子光源13发出的单光子脉冲，经过AMZI 17(相位调制器的相位为
0)，输出前后时序脉冲的量子
叠加态 单光子光源14发出的单光子脉冲，经过AMZI(相位调制器的相位为π)，输出前后时序脉冲的量子叠加态
[0004] 现有的这种量子比特的制备装置及方法，仅能够实现制备特定量子比特状态，使量子信息处理的灵活性受到限制。
发明内容
[0005] 本发明提供一种量子比特的制备方法及装置，能够制备任意形态的量子比特。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 第一方面，本发明
实施例提供一种量子比特的制备装置，包括：依次连接的单光子源、起偏器和改进型不等臂马赫曾德干涉仪，其中：
[0008] 所述改进型不等臂马赫曾德干涉仪包括偏振分束器、第一光波导、第二光波导、3dB耦合器、位于第一光波导或第二光波导形成的传输路径上的相位调制器、位于第一光波导或第二光波导形成的传输路径上的偏振旋转器；所述第一光波导的长度大于所述第二光波导的长度，所述偏振分束器的输入端和所述起偏器连接，所述偏振分束器的第一输出端和所述第一光波导的输入端连接，所述偏振分束器的第二输出端和所述第二光波导的输入端连接，所述第一光波导和第二光波导的输出端分别与所述3dB耦合器的输入端连接；
[0009] 所述起偏器，用于将所述单光子源发射的单光子处理后输出偏振
角为α的偏振光，α的取值范围为0度至360度；
[0010] 所述偏振分束器，用于将所述偏振角为α的偏振光分束后形成两个不同偏振方向的偏振光；
[0011] 所述第一光波导和第二光波导用于分别传输所述两个不同偏振方向的偏振光；其中，偏振旋转器，用于将沿着所述偏振旋转器对应的光波导传输的偏振光的偏振角旋转第一预设角度以使得所述第一光波导和第二光波导输出的偏振光的偏振角相同；相位调制器，用于将沿着所述相位调制器对应的光波导传输的偏振光的相位调制第二预设角度φ，所述第二预设角度φ的取值范围为0度至360度；
[0012] 所述3dB耦合器，用于将所述第一光波导和第二光波导输出的光叠加形成量子比特。
[0013] 结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，所述偏振分束器，用于将来自起偏器的出射光分束为
水平偏振方向和垂直偏振方向的出射光。
[0014] 结合第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第二种实现方式中，所述偏振旋转器，用于将来自偏振分束器的出射光的偏振旋转90度。
[0015] 结合第一方面，在第一方面的第三种实现方式中，所述装置还包括
控制器，用于控制所述起偏器输出的偏振光的偏振角α和所述相位调制器调制的所述第二预设角度φ的取值。
[0016] 结合第一方面或者第一方面的第一种、第二种、第三种实现方式中的任意一种，在第一方面的第四种实现方式中，所述相位调制器位于所述第一光波导形成的传输路径上，所述偏振旋转器位于所述第二光波导形成的传输路径上。
[0017] 第二方面，本发明实施例提供一种量子比特的制备方法，应用于第一方面所述的装置，所述方法包括：
[0018] 起偏器将单光子源发射的单光子处理后输出偏振角为α的偏振光，α的取值范围为0度至360度；
[0019] 偏振分束器将所述偏振角为α的偏振光分束后形成两个不同偏振方向的偏振光；
[0020] 第一光波导和第二光波导分别传输所述两个不同偏振方向的偏振光，其中，在传输过程中，偏振旋转器将沿着所述偏振旋转器对应的光波导传输的偏振光的偏振角旋转第一预设角度以使得所述第一光波导和第二光波导输出的偏振光的偏振角相同；相位调制器将沿着所述相位调制器对应的光波导传输的偏振光的相位调制第二预设角度φ，φ的取值范围为0度至360度；
[0021] 所述3dB耦合器将所述第一光波导和第二光波导输出的光叠加形成量子比特。
[0022] 结合第二方面，在第二方面的第一种实现方式中，所述偏振分束器将所述偏振角为α的偏振光分束后形成两个不同偏振方向的偏振光，具体包括：
[0023] 所述偏振分束器将所述偏振角为α的偏振光分束后形成水平方向的偏振光和竖直方向的偏振光。
[0024] 结合第二方面的第一种实现方式，在第二方面的第二种实现方式中，当所述相位调制器位于第一光波导形成的传输路径上，所述偏振旋转器位于第二光波导形成的传输路径上，且所述第一光波导传输所述竖直方向的偏振光，所述第二光波导传输所述水平方向的偏振光时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态的量子比特：
[0025] cosα|F>+exp(iφ)sinα|S>，其中，|F>为前时序脉冲态的量子比特；|S>为后时序脉冲态的量子比特。
[0026] 本发明实施例提供的量子比特的制备装置，对传统的不等臂马赫曾德干涉仪进行了改进，把传统的不等臂马赫曾德干涉仪的第一个3dB耦合器换成了偏振分束器，减少了3dB耦合器的数量，因而能够减少线路插入损耗；在制备量子比特时，位于单光子源和改进型不等臂马赫曾德干涉仪之间的起偏器能够将单光子源发射的单光子处理后输出任意角度的偏振光；然后采用偏振分束器代替现有技术中的3dB耦合器对起偏器输出的偏振光进行分束处理得到两个不同偏振方向的偏振光；第一光波导和第二光波导分别传输两个不同偏振方向的偏振光，且在传输的过程中为了保证分束后的两个方向的偏振光能够在3dB耦合器处干涉，采用了偏振旋转器将其中一个方向的偏振光偏振旋转。此外，改进型的不等臂马赫曾德干涉仪中的相位调制器，能够将其中一个方向的偏振光的相位调制到任意角度；
最后3dB耦合器将两个相同方向的偏振光进行干涉叠加得到量子比特。由于起偏器能够将单光子源发出的光进行偏振得到任意角度的偏振光，以及改进型不等臂马赫曾德干涉仪中的相位调制器能够实现任意角度的调制，因而利用本发明提供的量子比特的制备装置能够实现制备任意形态的量子比特。
附图说明
[0027] 为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
[0028] 图1为现有技术提供的一种量子比特的制备装置的示意图；
[0029] 图2为本发明实施例提供的第一种量子比特的制备装置的示意图；
[0030] 图3为本发明实施例提供的第二种量子比特的制备装置的示意图；
[0031] 图4为本发明实施例提供的第三种量子比特的制备装置的示意图；
[0032] 图5为本发明实施例提供的一种量子比特的制备方法的示意图。
具体实施方式
[0033] 下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034] 本发明实施例提供了一种量子比特的制备装置，如图2所示，包括：依次连接的单光子源21、起偏器22和改进型不等臂马赫曾德干涉仪23。
[0035] 其中，单光子源为一种用于产生单光子的光源，在本发明实施例中，单光子源的数量为1个即可。起偏器(Polarizer)为用于从自然光中获得偏振光的光学器件，其具体实现形式可以为偏振片、尼科
耳棱镜等；起偏器的起偏角范围为0度至360度，也即起偏器可以将单光子源发出的光子处理后形成任意角度的偏振光。单光子源和起偏器的具体结构可参考现有技术，本发明实施例不再赘述。
[0036] 传统的不等臂马赫曾德干涉仪，其一般包括两个不同长度的光波导形成的不对称干涉臂以及分别位于两条干涉臂的两端的3dB耦合器。而本发明实施例提供的所述改进型不等臂马赫曾德干涉仪23包括偏振分束器231、第一光波导232、第二光波导233、3dB耦合器234、位于第一光波导或第二光波导形成的传输路径上的相位调制器235、位于第一光波导或第二光波导形成的传输路径上的偏振旋转器236。其中，光波导为传输光的介质，可以为光纤等。所述第一光波导的长度大于所述第二光波导的长度，也即第一光波导形成了不等臂马赫曾德干涉仪的较长的干涉臂，第二光波导形成了不等臂马赫曾德干涉仪的较短的干涉臂。相位调制器和偏振旋转器既可以位于同一干涉臂上，也可以分别位于不同的干涉臂上。
[0037] 可选的，如图2中所示，相位调制器和偏振旋转器均位于第一光波导232形成的传输路径上。
[0038] 可选的，如图3所示，所述相位调制器235位于所述第一光波导232形成的传输路径上；所述偏振旋转器236位于所述第二光波导233形成的传输路径上。
[0039] 基于改进型不等臂马赫曾德干涉仪的上述结构，下面介绍各个元件之间的连接关系和作用：所述偏振分束器231的输入端和所述起偏器22连接，用于将来自起偏器22的出射光分束为两个不同偏振方向的偏振光并分别通过第一输出端和第二输出端输出；所述偏振分束器231的第一输出端和所述第一光波导232的输入端连接，所述偏振分束器231的第二输出端和所述第二光波导233的输入端连接。所述第一光波导232和第二光波导233的输出端分别与所述3dB耦合器234的输入端连接以便于所述3dB耦合器234将第一光波导和第二光波导输出的光进行干涉后形成量子比特。其中，位于第一光波导或第二光波导对应的传输路径上的偏振旋转器用于将来自偏振分束器的出射光的偏振角旋转第一预设角度以使得所述第一光波导和第二光波导输出的偏振光的偏振角相同；位于第一光波导或第二光波导对应的传输路径上的相位调制器用于将来自偏振分束器的出射光的相位调制第二预设角度φ，所述第二预设角度φ的取值范围为0度至360度。
[0040] 可选的，偏振分束器用于将来自起偏器的出射光分束为水平偏振方向和垂直偏振方向的出射光，然后经两个输出端输出。其中，第一输出端用于输出水平偏振方向的出射光，相应的，第二输出端用于输出垂直偏振方向的输出光。或者，第一输出端用于输出垂直偏振方向的出射光，第二输出端用于输出水平偏振方向的出射光。相应的，偏振旋转器，用于将来自偏振分束器的出射光的偏振角旋转90度以保证由第一光波导和第二光波导输出的出射光的偏振角相同，也即第一光波导和第二光波导输出的出射光的方向相同。
[0041] 3dB耦合器为一种常见的光学器件，一方面其能够实现在相同的
波长上，将来自几束光纤的光耦合到其他几束光纤中，也可以将光从一束光纤分离到几束光纤中。另一方面，会带来较大的信道插入损耗，3dB耦合器的数量越多，带来的信道插入损耗越大。本发明实施例提供的不等臂马赫曾德干涉仪，把传统不等臂马赫曾德干涉仪的第一个3dB耦合器换成了偏振分束器，减少了线路上的3dB耦合器的数量，进而减少了插入损耗。
[0042] 需要说明的是，本发明实施例提供的改进型不等臂马赫曾德干涉仪中，其包括的光波导、3dB耦合器、偏振分束器、相位调制器、偏振旋转器等元件的具体结构可参考现有技术，本发明实施例不再赘述。此外，3dB耦合器为一个50：50耦合比的耦合器，因而在一些文献中，又可称为50:50耦合器或者二分之一耦合器。
[0043] 还需要说明的是，本发明实施例中所指的各个元件之间的连接是指通过光纤连接或者光学领域中常见的其他连接方式。
[0044] 此外，为了便于调节偏振角α和第二预设角度φ的取值，本发明实施例提供的量子比特的制备装置，如图4所示，还包括控制器31，用于调节起偏器22输出的偏振光的偏振角α和所述相位调制器235调制的所述第二预设角度φ的取值。
[0045] 综上所述，本发明实施例提供的量子比特的制备装置，相比于现有技术，仅需要1个单光子源，减少了单光子源的数量；且对传统的不等臂马赫曾德干涉仪进行了改进，减少了线路上的插入损耗。
[0046] 结合上述装置，本发明实施例还提供了一种利用上述装置制备量子比特的方法，如图5所示，包括：
[0047] 401：起偏器将单光子源发射的单光子处理后输出偏振角为α的偏振光。
[0048] 其中，α的取值可以为0度至360度的任意角度，其具体取值根据需求通过控制器来控制。α的取值影响的是由起偏器输出的光子，经偏振分束器进行偏振处理后，在两个不同方向出现的概率。
[0049] 402：偏振分束器将所述偏振角为α的偏振光分束后形成两个不同偏振方向的偏振光。
[0050] 403：第一光波导和第二光波导分别传输所述两个不同偏振方向的偏振光，其中，在传输过程中，偏振旋转器将沿着所述偏振旋转器对应的光波导传输的偏振光的偏振角旋转第一预设角度；相位调制器将沿着所述相位调制器对应的光波导传输的偏振光的相位调制第二预设角度φ。
[0051] 其中，φ的取值范围为0度至360度，也即相位调制器能够将其中一个方向的偏振光的相位调制到任意角度。其具体取值，可由控制器控制所述相位调制器设定。
[0052] 偏振旋转器将沿着所述偏振旋转器对应的光波导传输的偏振光的偏振角旋转第一预设角度的目的是为了保证由第一光波导和第二光波导输出的两束光的偏振角相同，也即第一光波导和第二光波导输出的两束光的方向相同，这样3dB耦合器才能将由第一光波导和第二光波导输出的两束光进行干涉处理。
[0053] 可选的，步骤302中，偏振分束器将偏振光分束成水平方向的偏振光和垂直方向的偏振光。相应的，步骤303中，第一预设角度为90度。
[0054] 404：3dB耦合器将所述第一光波导和第二光波导输出的光叠加形成量子比特。
[0055] 其中，本步骤输出的量子比特为任意量子比特状态，这和改进型不等臂马赫曾德干涉仪的具体结构以及α和φ的取值相关。
[0056] 示例性的，当所述相位调制器位于第一光波导形成的传输路径上，所述偏振旋转器位于第二光波导形成的传输路径上，且所述第一光波导和偏振分束器的垂直偏振输出出口连接，也即所述第一光波导传输所述竖直方向的偏振光，所述第二光波导和偏振分束器的水平偏振输出出口连接，也即所述第二光波导传输水平方向的偏振光时，(cosα)2表示经起偏器输出的单个光子，由偏振分束器进行分束后，出现在水平偏振输出方向上的概率或2
者说为沿着第二光波导传输的概率；(sinα)表示经起偏器输出的单个光子，由偏振分束器进行分束后，出现在竖直偏振输出方向上的概率或者说为沿着第一光波导传输的概率。相应的，3dB耦合器输出的量子比特为：cosα|F>+exp(iφ)sinα|S>，其中，α则为前文所述的起偏器将单光子后形成的偏振光的偏振角；φ则为前文所述的相位调制器调制的角度；|F>为前时序脉冲态的量子比特；|S>为后时序脉冲态的量子比特。
[0057] 根据上述公式可得，如果α的取值为0度，则所述3dB耦合器输出的量子比特为前时序脉冲态的量子比特|F>；
[0058] 如果α的取值为90度，则所述3dB耦合器输出的量子比特为后时序脉冲态的量子比特|S>；
[0059] 如果α的取值为45度，且φ取值为0度时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态
[0060] 如果α的取值为45度，且φ取值为90度时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态
[0061] 如果α的取值为45度，且φ取值为180度时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态
[0062] 如果α的取值为45度，且φ取值为270度时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态
[0063] 如果α的取值为135度，且φ取值为0度时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态
[0064] 如果α的取值为135度，且φ取值为90度时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态
[0065] 如果α的取值为135度，且φ取值为180度时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态
[0066] 如果α的取值为135度，且φ取值为270度时，所述3dB耦合器输出的量子比特为前后时序脉冲叠加态
[0067] 在本步骤的其他实现方式中，当所述相位调制器位于第一光波导形成的传输路径上，所述偏振旋转器位于第二光波导形成的传输路径上，且所述第一光波导连接所述偏振分束器的水平偏振输出口，所述第二光波导连接所述偏振分束器的垂直偏振输出口时，3dB耦合器输出的量子比特为sinα|F>+exp(iφ)cosα|S>。
[0068] 当所述相位调制器和所述偏振旋转器均位于第二光波导形成的传输路径上，且所述第一光波导连接所述偏振分束器的垂直偏振输出口，所述第二光波导连接所述偏振分束器的水平偏振输出口时，3dB耦合器输出的量子比特为：exp(iφ)cosα|F>+sinα|S>。
[0069] 当所述相位调制器和所述偏振旋转器均位于第二光波导形成的传输路径上，且所述第一光波导连接所述偏振分束器的水平偏振输出口，所述第二光波导连接所述偏振分束器的垂直偏振输出口时，3dB耦合器输出的量子比特为：exp(iφ)sinα|F>+cosα|S>。
[0070] 对于其他实现方式下，3dB耦合器输出的量子比特可根据本发明实施例提供的上述实现方式得到。
[0071] 本发明实施例提供的制备量子比特的方法，在制备量子比特时，位于单光子源和改进型不等臂马赫曾德干涉仪之间的起偏器能够将单光子源发射的单光子处理后输出任意角度的偏振光；然后采用偏振分束器代替现有技术中的3dB耦合器对起偏器输出的偏振光进行分束处理得到两个不同偏振方向的偏振光；第一光波导和第二光波导分别传输两个不同偏振方向的偏振光，且在传输的过程中为了保证分束后的两个方向的偏振光能够在3dB耦合器处干涉，采用了偏振旋转器将其中一个方向的偏振光偏振旋转。此外，改进型的不等臂马赫曾德干涉仪中的相位调制器，能够将其中一个方向的偏振光的相位调制到任意角度；最后3dB耦合器将两个相同方向的偏振光进行干涉叠加得到量子比特。由于起偏器能够将单光子源发出的光进行偏振得到任意角度的偏振光，以及改进型不等臂马赫曾德干涉仪中的相位调制器能够实现任意角度的调制，因而利用本发明提供的量子比特的制备装置能够实现制备任意形态的量子比特。
[0072] 综上所述，本发明实施例提供的量子比特的制备装置及方法，能够在减少线路插入损耗的
基础上，实现制备任意形态的量子比特。
[0073] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
