本技术介绍了一种量子态增强器,集成了量子态放大和光子减法功能。该量子态放大模块通过引入热噪声,实现任意相干态的随机位移,以增强量子态信号。
背景技术
在量子信息处理中,由于信道中不可避免的损耗及实验中的可能存在的各种噪声,不仅会导致量子态的退相干而丢失量子信息,降低通信效率,还会降低相位测量的精度,增大相位的不确定性。相位不敏感的无噪声量子概率放大技术是解决这些问题的重要工具之一。这种量子放大器的一个关键优势在于它能够在放大量子态的同时,几乎不引入额外的噪声。在实际应用中可以用于增强量子通信的可靠性,同时由于对相位测量精度的提高,对于精密测量、量子传感和量子计量等应用也至关重要。
2009年,Ralph等人提出了一种使用单光子探测器和辅助单光子源进行无噪声放大的方法,这种放大器简称为NLA(Noiseless linear amplifier)。该方法一经提出就引起了广泛关注,在此之前的相位不敏感量子放大器在作用于量子态时无法规避噪声的引入,NLA的出现说明对量子态预示性的无噪声概率放大是可能的。之后基于Ralph等人的方案,研究者们做出了各种方法应用的尝试,如结合隐形传态,最优纠缠交换及多路复用的量子误差校正方案等。然而由于涉及非高斯的资源和操作的需要,在实验中实现的技术难度大。因此很多具有相同放大作用的其他方法陆续被提出。
一类方法是在测量后加入后选择滤波函数模拟NLA,该方法的理论在2012年被提出,并在两年后通过实验实现。而后结合确定性量子放大器,有概率克隆证明,抑制热退相干等应用。后选择函数需要设置截断值,当截断值取与测量总数相关的可变值时,测量数据拒绝率随测量总数的增加而上升,虽然模拟程度好但实验效率低;当取截断值为固定值时,后选择操作更高效但模拟程度更低,且安全分析更复杂。另一类方法大胆的在信号态中加入热噪声,结合光子减法来完成对量子态的有效放大。由于方案设计巧妙简单且无需非高斯资源,同年便有人完成了对应的实验工作。但是此方案的成功概率很低,只有百分之几的数量级。为了获得更高的保真度和有效放大增益,基于单光子加减法相结合的无噪声放大方案被提出,并改进至只需要结合光子减法与辅助高斯压缩高斯真空态。第三类方法是将量子态比较用于放大量子态,通过比较两个或多个量子态的相似性或差异性,后选择的保留符合特定相位关系的量子态,从而实现没有额外噪声的量子态放大。量子态比较也可以与其他量子操作(如光子加法或减法)结合,以进一步增强放大效果。然而,该方法依赖于多次重复测量和后选择,需要耗费大量的辅助资源态,增加了实验的资源需求。这些量子放大方案本质上都是概率性的,因此提升成功概率和放大增益是提高量子放大方案实际可用性和可拓展性的重要研究方向。
在这些量子放大方案中,结合热噪声与光子减法的量子放大器方案尤其值得关注。该方案在不使用任何非经典资源或强参数相互作用的前提下,能够实现无噪声的相位信息放大。虽然研究者们提出了很多方法来改进该放大方案,提高保真度与放大增益等系统性能,这些方案在理论和实验上也取得了一定的成功。但都是提出新的放大器方案设计,并未试图解决此量子放大器方案放大性能好但成功概率很低的关键问题。尤其是在原始方案中,当使用多光子减法操作时,随着减去的光子数增加,成功率会迅速降低,更加接近于零。
实现思路