[实用新型]一种基于偏振的W态测量装置

说明书

本实用新型公开了一种基于偏振的W态测量装置，所述W态测量装置接收来自于四个接收端口的量子信号，经第一分束器、第二分束器、第三分束器的输入端分别入射；随后经过第一偏振分束器、第二偏振分束器和第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜对联合量子态的演化，再经过第三偏振分束器、第四偏振分束器投影，最后经过第四分束器、第五分束器输出，由第一单光子探测器、第二单光子探测器、第三单光子探测器、第四单光子探测器分别探测，发送至符合计数器进行统计，最终实现W态的测量。本实用新型所公开的W态测量装置，可形成基于W态的测量设备无关量子密钥分发系统，采用线性光学元件，成本较低，技术成熟可靠。

技术领域

本实用新型涉及量子信息与光通信技术领域，具体来说是涉及一种基于偏振的W态测量装置。

背景技术

自从1984年Bennett和Brassard提出第一个量子密钥分发协议(Quantum KeyDistribution,QKD)“BB84”以来，受益于光传输网络中信道(光纤)和器件(如分束器、雪崩光电二极管APD)的不断进步，QKD已经成为量子信息领域最为接近实用化的技术。QKD能够实现在窃听者存在的情况下，合法通信双方(通常称为Alice和Bob)共享理论上绝对安全的量子密钥。结合“一次一密(One Time Pad，OTP)”技术，Alice和Bob之间通过量子密钥就能实现绝对安全的通信。

但是实际器件和其理论模型之间的差异引入了一些安全隐患。例如，对于光子数分离(Photon Number Split，PNS)攻击，基于强衰减激光的弱相干光光源的多光子成分的信息将全部泄露。针对多个探测器量子效率不一致，人们提出了时移攻击和伪态攻击。甚至人们发现使用致盲攻击时，窃听者可以完全控制使用雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode)探测单光子态的商用结构，如id3110 Clavis2和QPN 5505。

于是，必须想方设法弥补这些漏洞。针对光源部分，人们提出了诱骗态方案，利用诱骗态光子对信道进行监控，更好地评估量子信道的情况，大大增加了安全通信距离，使得PNS攻击效率下降。针对探测器部分，人们提出了测量设备无关协议，利用时间反转的EPR协议等价性，很好地证明了该协议的安全性，并且一次性关闭了所有的探测器漏洞。

最初的测量设备无关量子密钥分发是基于Bell态测量。Alice和Bob分别制备量子态(直线基：水平偏振态|H>或垂直偏振态|V>；对角基：+45°偏振态 |+>或-45°偏振态|->)并发送到不可信的第三方Charlie(Eve)。Charlie通过Bell态测量得到结果，如果测量结果是时，表示测量成功。Charlie公布测量结果，Alice和Bob根据测量结果对本地数据操作即可得到安全密钥。

W态是多粒子纠缠态的一种，在量子信息处理有着非常重要的作用。W态可以使用Type II类参量下转换和线性光学器件来实现。与同为多粒子纠缠GHZ 态相比，W态的一个重要特征是当其中一个粒子丢失或者投影到制定量子态后，剩余的粒子仍然是纠缠的。也就是说，W态的鲁棒性更好。以4粒子为例，存在 16个W态，描述如下：

|W_4，0>＝1/2(|HHHV>+|HHVH>+|HVHH>+|VHHH>) (1)

|W_4，1>＝1/2(|HHHV>-|HHVH>-|HVHH>+|VHHH>) (2)

|W_4，2>＝1/2(|HHHV>-|HHVH>+|HVHH>-|VHHH>) (3)