CN108240869B - 基于弱测量的波函数直接测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弱测量的波函数直接测量方法及装置，该方法包括如下步骤：在某一时刻对待测单光子施加相位调制，调制深度控制到微扰程度；在同一时刻对待测单光子施加振幅调制，调制深度同样控制到微扰程度；将没有经过弱调制的单光子、经过相位弱调制的单光子以及经过振幅弱调制的单光子进行频域强选择，选出特定频率光子进行符合计数；采集特定频率的没有经过弱调制的光子数、经过相位弱调制的光子数以及经过振幅弱调制的光子数，进行比较计算可以还原出弱值及待测波函数。本发明将实现对波函数的直接非破坏性测量，同时由于预选态与后选态趋于正交，弱值理论上可以接近无限大，大幅提升测量精度和有效性。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，具体涉及一种基于弱测量的波函数直接测量方法及装置，可以应用于广泛的量子信息领域(包括量子通信、量子计算及量子精密测量等技术方向)。
背景技术
弱测量理论及弱值概念最初由Aharonov，Albert和Vaidman于1988年提出，并于1991年首次得到实验验证。此后，弱测量有关的理论不断发展完善，其应用领域也得以拓宽，相比于传统测量手段，体现出了独有的物理特性、巨大的发展潜力以及广阔的应用前景。
波函数作为基本物理量，涉及到量子通信信息编码、量子态传输、探测等诸多领域。关于时域波函数的测量，在传统的测量技术中，测量设备与待测量的耦合势必导致波函数塌缩，量子退相干效应也限制了对波函数信息的提取和还原。长期以来只能通过直接的光子计数来获得波函数的振幅信息，或者通过搭设单独的干涉仪来获得波函数相位信息。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于弱测量的波函数直接测量方法及装置，结构简单、测量精确、可行性强，且能够同时得到波函数的幅度和相位信息，还原出完整波函数。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一方面，本发明提供一种基于弱测量的波函数直接测量方法，包括如下步骤：
在某一时刻对待测单光子施加相位调制，调制深度控制到微扰程度；
在同一时刻对待测单光子施加振幅调制，调制深度同样控制到微扰程度；
将没有经过弱调制的单光子、经过相位弱调制的单光子以及经过振幅弱调制的单光子进行频域强选择，选出特定频率光子进行符合计数；
采集特定频率的没有经过弱调制的光子数、经过相位弱调制的光子数以及经过振幅弱调制的光子数，进行比较计算可以还原出弱值及待测波函数。
进一步地，所述微扰程度为3°～5°。
进一步地，通过相位电光调制器对待测单光子施加相位调制，通过对相位电光调制器电压的控制，实现人为可控的相位微扰。
进一步地，通过幅度电光调制器对待测单光子施加振幅调制，通过对幅度电光调制器电压的控制，实现人为可控的幅度微扰。
进一步地，通过法布里-珀罗干涉仪进行频域强选择，选出特定频率光子透射。
进一步地，通过单光子计数器对特定频率的单光子采集计数。
进一步地，所述基于弱测量的波函数直接测量方法用于时域波函数直接测量方法具体如下：
将待测时域波函数表示为ψ(t)，时域弱调制可以表示为频域强选择表示为|v＞，则可以构建所需要的弱值该弱值与待测波函数成一阶线性关系，通过测得该弱值，进而得到待测波函数；
不施加时域弱调制，仅对光子进行频域强选择，光子计数的结果为|＜v|ψ＞|2；
施加时域相位弱调制待测波函数演化为之后对光子进行频域强选择，光子计数的结果为
施加时域振幅弱调制待测波函数演化为之后对光子进行频域强选择，光子计数的结果为
由以上光子计数结果，可以计算所涉及到弱值的实部和虚部，得到弱值进而根据其与待测时域波函数ψ(t)的线性关系，即可计算得到待测波函数的幅度及相位，从而还原出完整的待测时域波函数。
另一方面，本发明还提供一种基于弱测量的波函数直接测量装置，包括：
相位电光调制器，用于在某一时刻对待测单光子施加相位调制，调制深度控制到微扰程度；
幅度电光调制器，用于在同一时刻对待测单光子施加振幅调制，调制深度同样控制到微扰程度；
法布里-珀罗干涉仪，用于将没有经过弱调制的单光子、经过相位弱调制的单光子以及经过振幅弱调制的单光子进行频域强选择，选出特定频率光子进行符合计数；
单光子计数器，用于采集特定频率的没有经过弱调制的光子数、经过相位弱调制的光子数以及经过振幅弱调制的光子数，进行比较计算可以还原出弱值及待测波函数。
进一步地，所述微扰程度为3°～5°。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明是对波函数的直接测量，测量结果包含了实部和虚部两部分，可以还原出待测波函数的幅度和相位，也即完整的波函数信息。
2、本发明所采用的电光调制器EOM可以精确控制调制电压，实现对微扰程度的良好操控。
3、本发明所采用的法布里-珀罗干涉仪在现有技术下可以将自身线宽压窄到Hz级，在本发明提出的测量方案下，可以将时域波函数测量精度大幅提升。
4、本发明所提出的弱测量技术将实现对波函数的直接非破坏性测量，从根本上实现对波函数幅度和相位信息的同时完整探测及还原。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。
图1为本发明基于弱测量的波函数直接测量方法的流程图；
图2为本发明基于弱测量的波函数直接测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，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做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。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种基于弱测量的波函数直接测量方法，包括如下步骤：
在某一时刻t0对待测单光子施加相位调制，调制深度控制到微扰程度(约3°～5°)；
在同一时刻t0对待测单光子施加振幅调制，调制深度同样控制到微扰程度；
将没有经过弱调制的单光子、经过相位弱调制的单光子以及经过振幅弱调制的单光子进行频域强选择，选出特定频率光子进行符合计数；
采集特定频率的没有经过弱调制的光子数、经过相位弱调制的光子数以及经过振幅弱调制的光子数，进行比较计算可以还原出弱值及待测波函数。
通过相位电光调制器对待测单光子施加相位调制，通过对相位电光调制器电压的控制，实现人为可控的相位微扰；通过幅度电光调制器对待测单光子施加振幅调制，通过对幅度电光调制器电压的控制，实现人为可控的幅度微扰。利用电光调制器实现了对波函数时域波形的相位、振幅微扰，且微扰程度人为可控。
通过法布里-珀罗干涉仪进行频域强选择，选出特定频率光子透射。利用法布里-珀罗干涉仪实现了频率强选择，该干涉仪自身线宽将直接影响后选择的效果，进而影响弱值大小。
通过单光子计数器对特定频率的单光子采集计数。利用单光子计数器完成对实验载体单光子的符合计数，进而计算弱值、还原波函数。
下面以时域波函数为例具体说明本发明基于弱测量的波函数直接测量方法。
本实施例的基于弱测量的时域波函数直接测量方法如下：
1)将待测时域波函数表示为ψ(t)，时域弱调制可以表示为频域强选择表示为|v＞，则可以构建本实例所需要的弱值该弱值与待测波函数成一阶线性关系，本实例即是通过测得该弱值，进而得到待测波函数；
2)不施加时域弱调制，仅对光子进行频域强选择，光子计数的结果为|＜v|ψ＞|2；
3)施加时域相位弱调制待测波函数演化为(因为调制强度很弱，可以取一阶近似)；之后对光子进行频域强选择，光子计数的结果为
4)施加时域振幅弱调制待测波函数演化为(因为调制强度很弱，可以取一阶近似)；之后对光子进行频域强选择，光子计数的结果为
5)由以上光子计数结果，可以计算本实例所涉及到弱值的实部和虚部，得到弱值进而根据其与待测时域波函数ψ(t)的线性关系，即可计算得到待测波函数的幅度及相位，从而还原出完整的待测时域波函数。
本发明利用弱测量理论完成对时域波函数的直接测量，所测得的波函数包含了实部和虚部信息，也即是完整的波函数。
实施例2
如图2所示，本发明还提供一种基于弱测量的波函数直接测量装置，包括：
相位电光调制器(EOPM)1，用于在某一时刻t0对待测单光子施加相位调制，调制深度控制到微扰程度(约3°～5°)；
幅度电光调制器(EOAM)2，用于在同一时刻t0对待测单光子施加振幅调制，调制深度同样控制到微扰程度；
法布里-珀罗干涉仪3，用于将没有经过弱调制的单光子、经过相位弱调制的单光子以及经过振幅弱调制的单光子进行频域强选择，选出特定频率光子进行符合计数；
单光子计数器4，用于采集特定频率的没有经过弱调制的光子数、经过相位弱调制的光子数以及经过振幅弱调制的光子数，进行比较计算可以还原出弱值及待测波函数。
本发明是对波函数的直接测量，测量结果包含了实部和虚部两部分，可以还原出待测波函数的幅度和相位，也即完整的波函数信息。
本发明所采用的电光调制器EOM可以精确控制调制电压，实现对微扰程度的良好操控。
本发明所采用的法布里-珀罗干涉仪在现有技术下可以将自身线宽压窄到Hz级，在本发明提出的测量方案下，可以将时域波函数测量精度大幅提升。
本发明所提出的弱测量技术将实现对波函数的直接非破坏性测量，从根本上实现对波函数幅度和相位信息的同时完整探测及还原。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，如根据待测物理量的不同，选择不同的指针态、弱调制及强选择物理量，都可以依据本发明方案进行理论推导及实验操作。可以完成对空间波函数、偏振态、密度矩阵等诸多物理量的直接测量。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于弱测量的波函数直接测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
在某一时刻对待测单光子施加相位调制，调制深度控制到微扰程度；
在同一时刻对待测单光子施加振幅调制，调制深度同样控制到微扰程度；
将没有经过弱调制的单光子、经过相位弱调制的单光子以及经过振幅弱调制的单光子进行频域强选择，选出特定频率光子进行符合计数；
采集特定频率的没有经过弱调制的光子数、经过相位弱调制的光子数以及经过振幅弱调制的光子数，进行比较计算可以还原出弱值及待测波函数；
所述基于弱测量的波函数直接测量方法用于时域波函数直接测量方法具体如下：
将待测时域波函数表示为ψ(t)，时域弱调制可以表示为频域强选择表示为|v>，则可以构建所需要的弱值该弱值与待测波函数成一阶线性关系，通过测得该弱值，进而得到待测波函数；
不施加时域弱调制，仅对光子进行频域强选择，光子计数的结果为|<v|ψ>|2；
施加时域相位弱调制待测波函数演化为之后对光子进行频域强选择，光子计数的结果为
施加时域振幅弱调制待测波函数演化为之后对光子进行频域强选择，光子计数的结果为
由以上光子计数结果，可以计算所涉及到弱值的实部和虚部，得到弱值进而根据其与待测时域波函数ψ(t)的线性关系，即可计算得到待测波函数的幅度及相位，从而还原出完整的待测时域波函数。
2.根据权利要求1所述的基于弱测量的波函数直接测量方法，其特征在于，所述微扰程度为3°～5°。
3.根据权利要求1所述的基于弱测量的波函数直接测量方法，其特征在于，通过相位电光调制器对待测单光子施加相位调制，通过对相位电光调制器电压的控制，实现人为可控的相位微扰。
4.根据权利要求1所述的基于弱测量的波函数直接测量方法，其特征在于，通过幅度电光调制器对待测单光子施加振幅调制，通过对幅度电光调制器电压的控制，实现人为可控的幅度微扰。
5.根据权利要求1所述的基于弱测量的波函数直接测量方法，其特征在于，通过法布里-珀罗干涉仪进行频域强选择，选出特定频率光子透射。
6.根据权利要求1所述的基于弱测量的波函数直接测量方法，其特征在于，通过单光子计数器对特定频率的单光子采集计数。
7.一种基于弱测量的波函数直接测量装置，其特征在于，包括：
相位电光调制器，用于在某一时刻对待测单光子施加相位调制，调制深度控制到微扰程度；
幅度电光调制器，用于在同一时刻对待测单光子施加振幅调制，调制深度同样控制到微扰程度；
法布里-珀罗干涉仪，用于将没有经过弱调制的单光子、经过相位弱调制的单光子以及经过振幅弱调制的单光子进行频域强选择，选出特定频率光子进行符合计数；
单光子计数器，用于采集特定频率的没有经过弱调制的光子数、经过相位弱调制的光子数以及经过振幅弱调制的光子数，进行比较计算可以还原出弱值及待测波函数；
所述基于弱测量的波函数直接测量装置用于时域波函数直接测量方法具体如下：
将待测时域波函数表示为ψ(t)，时域弱调制可以表示为频域强选择表示为|v>，则可以构建所需要的弱值该弱值与待测波函数成一阶线性关系，通过测得该弱值，进而得到待测波函数；
不施加时域弱调制，仅对光子进行频域强选择，光子计数的结果为|<v|ψ>|2；
施加时域相位弱调制待测波函数演化为之后对光子进行频域强选择，光子计数的结果为
施加时域振幅弱调制待测波函数演化为之后对光子进行频域强选择，光子计数的结果为
由以上光子计数结果，可以计算所涉及到弱值的实部和虚部，得到弱值进而根据其与待测时域波函数ψ(t)的线性关系，即可计算得到待测波函数的幅度及相位，从而还原出完整的待测时域波函数。
8.根据权利要求7所述的基于弱测量的波函数直接测量装置，其特征在于，所述微扰程度为3°～5°。
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