CN116107130B - 一种宏观量子纠缠态的量子增强方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宏观量子纠缠态的量子增强方法及其装置，涉及光学技术领域；该方法包括：提供宏观尺度多光子多维度纠缠光；以所述宏观尺度多光子多维度纠缠光作为光源，根据待测物理量不同选择不同的测量电路，其中所述测量电路同时提供两个组态的宏观尺度多光子多维度纠缠光；获取两个组态的所述宏观尺度多光子多维度纠缠光处于量子叠加态时的观测结果，得到所述宏观光子纠缠整体态的固有量子性质。本发明还公开了一种宏观量子纠缠态的量子增强装置。本发明提供的宏观量子纠缠态的量子增强方法及其装置可以观测到宏观光子纠缠整体态的固有的量子性质，从而大大提高频率和波数的测量精度，使其接近海森堡量子极限。

Description

一种宏观量子纠缠态的量子增强方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种宏观量子纠缠态的量子增强方法及其装置。

背景技术

随着人类对量子力学原理的认识、理解和研究的不断深入，以及对于微观物理体系的观测和调控能力不断提升，以微观粒子***（如电子、光子、冷原子等）为操作对象，借助其中的量子叠加态和量子纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、处理和传输的量子信息技术应运而生并蓬勃发展，成了信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一。量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域。其中，量子测量是基于微观粒子***以及量子态的精密测量，完成被测***物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势。

现有技术中，量子纠缠效应的研究目前还停留在纠缠光子数为几个最多几十上百个光子的阶段，其可以满足实验需求，但对于实际量子计算、量子通信和量子测量而言，现有的多光子纠缠技术实际上无法满足需求。为了解决这一技术问题，CN109581656B提供了一种多光子纠缠光源，采用双向输出两束激光的单模激光器生成可以输出宏观尺度的多光子多维度纠缠光，为宏观量子纠缠效应的实际应用提供了前提条件。但是，该专利也仅仅只提供了多光子纠缠光源的发生装置，而对于如何通过多光子多维度纠缠光获得整体态的固有量子性质的方法并未公开，因此亟需提供一种适用于将多光子多维度纠缠光应用于获得整体态的固有量子性质的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宏观量子纠缠态的量子增强方法及其装置，可以获得宏观量子纠缠态光源的整体态的固有量子性质。

本发明通过下述技术方案实现：本发明提供一种宏观量子纠缠态的量子增强方法，包括:

提供宏观尺度多光子多维度纠缠光；

以所述宏观尺度多光子多维度纠缠光作为光源，根据待测物理量不同选择不同的测量电路；同时观测两个组态的所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的量子态，其中所述测量电路同时提供两个组态的宏观尺度多光子多维度纠缠光；

获取两个组态的所述宏观尺度多光子多维度纠缠光处于量子叠加态时的观测结果，得到所述宏观光子纠缠整体态的固有量子性质。

进一步的，在本申请的一些实施例中，所述观测结果的测量精度接近海森堡量子极限；所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的所述观测结果相较于单光子的观测结果增强倍数接近2N倍；其中2N为宏观纠缠光子数。

进一步的，在本申请的一些实施例中，所述固有量子性质包括纠缠光的平均寿命、频率宽度、波数宽度；所述量子态为第一量子态、第二量子态和第三量子态；

所述第一量子态由下式表达：

；

所述第二量子态由下式表达：

；

所述第三量子态由下式表达：

；

其中，2N为纠缠光子数，

为第一偶宇称，/>

为第二偶宇称；总自旋角动量为2N ћ，/>

总自旋角动量为2N ћ，/>

总自旋角动量为-2Nћ。/>

为第三偶宇称，总自旋角动量为零；R_k为右圆偏振，自旋为1，波矢K沿+Z方向；L_k为左圆偏振，自旋为-1，波矢K沿+Z方向；/>

为右圆偏振，自旋为1，波矢K沿-Z方向；

为左圆偏振，自旋为-1，波矢K沿-Z方向。

所述测量电路包括第一测量电路、第二测量电路和第三测量电路。

其中，第一测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第一多光子纠缠光源和分别设置在所述第一多光子纠缠光源的两端的第一光学组件和第二光学组件，所述第一多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第一光学组件、第二光学组件输入所述第一符合测量；

第二测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第二多光子纠缠光源和分别设置在所述第二多光子纠缠光源的两端的第三光学组件、第四光学组件，所述第二多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第三光学组件、第四光学组件输入所述第二符合测量；

第三测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第三多光子纠缠光源和分别设置在所述第三多光子纠缠光源的两端的第五光学组件、第六光学组件，所述第三多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第五光学组件、第六光学组件输入所述第三符合测量。

进一步的，在本申请的一些实施例中，所述第一光学组件包括第一线性偏振镜和第一1/4波片；所述第一线性偏振片的角度设置为-90°；所述第二光学组件包括第二线性偏振镜和第二1/4波片，所述第二线性偏振镜的角度设置为0°；所述第一多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第一线性偏振镜、θ=-45°的第一1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第一符合测量；所述第一多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第二线性偏振镜、θ=45°的第二1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第一符合测量；和/或

所述第三光学组件包括第三线性偏振镜和第三1/4波片，所述第三线性偏振片的角度设置为180°；所述第四光学组件包括第四线性偏振镜和第四1/4波片，所述第四线性偏振镜的角度设置为90°；所述第二多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第三线性偏振镜、θ=-45°的第三1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第二符合测量；所述第二多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第四线性偏振镜、θ=225°的第四1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第二符合测量；和/或

所述第五光学组件包括第五偏振分光棱镜、第五1/4波片和第六1/4波片；所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=-45°的所述第五1/4波片，所述第五偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=-45°的所述第六1/4波片；所述第六光学组件包括第六偏振分光棱镜、第七1/4波片和第八1/4波片；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=45°的所述第七1/4波片，所述第六偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=225°的所述第八1/4波片；所述第三多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经过第五1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、所述垂直线偏振光经过第六1/4波片出射左圆偏振光并输入第三符合测量；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经第七1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、垂直线偏振光经过第八1/4波片出射左圆偏振光并输入所述第三符合测量。

进一步的，在本申请的一些实施例中，所述第三测量电路包括还可以为包括第四多光子纠缠光源、所述第七光学组件、第八光学组件和第四符合测量的测量电路，所述第七光学组件包括第七偏振分光棱镜；所述第四多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第七偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量；所述第四多光子纠缠光源另一端输出的光源经所述第八偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量。

本申请还提供一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第一多光子纠缠光源和分别设置在所述第一多光子纠缠光源的两端的第一光学组件和第二光学组件，所述第一多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第一光学组件和第二光学组件输入所述第一符合测量；

其中，所述第一光学组件包括角度设置为-90°的第一线性偏振镜和θ=-45°的第一1/4波片；所述第二光学组件包括角度设置为0°第二线性偏振镜和θ=45°的第二1/4波片；所述第一多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第一线性偏振镜、第一1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第一符合测量；所述第一多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第二线性偏振镜、第二1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第一符合测量。

本申请还提供一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，包括双向输出宏观尺度多光子多维度纠缠光的第二多光子纠缠光源和分别设置在所述第二多光子纠缠光源的两端的第三光学组件、第四光学组件，所述第二多光子纠缠光源两端输出的光源分别经所述第三光学组件、第四光学组件输入第二符合测量；

所述第三光学组件包括角度设置为180°的第三线性偏振镜和θ=-45°的第三1/4波片，所述第四光学组件包括角度设置为90°的第四线性偏振镜和θ=225°的第四1/4波片，所述第二多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第三线性偏振镜、第三1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第二符合测量；所述第二多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第四线性偏振镜、第四1/4波片出射左圆偏振光，且该四圆偏振光输入所述第二符合测量。

本申请还提供一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第三多光子纠缠光源和分别设置在所述第三多光子纠缠光源的两端的第五光学组件和第六光学组件，所述第三多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第五光学组件和第六光学组件输入所述第三符合测量；

其中，所述第五光学组件包括第五偏振分光棱镜、第五1/4波片和第六1/4波片；所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=-45°的所述第五1/4波片，所述第五偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=-45°的所述第六1/4波片；所述第六光学组件包括第六偏振分光棱镜、第七1/4波片和第八1/4波片；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=45°的所述第七1/4波片，所述第六偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=225°的所述第八1/4波片；所述多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经过第五1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、所述垂直线偏振光经过第六1/4波片出射左圆偏振光并输入第三符合测量；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经第七1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、所述垂直线偏振光经过第八1/4波片出射左圆偏振光并输入所述第三符合测量。

本申请还提供一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第四多光子纠缠光源和分别设置在所述第四多光子纠缠光源的两端的第七光学组件和第八光学组件，所述第四多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第七光学组件和第八光学组件输入所述第四符合测量；

其中，所述第七光学组件包括第七偏振分光棱镜；所述第四多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第七偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量；所述第八光学组件包括第八偏振分光棱镜；所述第四多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第八偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明提供的一种宏观量子纠缠态的量子增强方法及其装置，以宏观尺度多光子多维度纠缠光为光源，针对不同量子态提供不同的测量电路，同时观测处于两个不同组态的宏观尺度多光子多维度纠缠光，当两个不同组态的宏观尺度多光子多维度纠缠光同时处于量子叠加态时，即为整体态出现，获得此时的待测物理量的测量值如宏观纠缠光的平均寿命、频率宽度、波数宽度的值，即为宏观尺度多光子多维度纠缠整体态的固有量子性质。采用该方法获得的宏观尺度多光子多维度纠缠整体态的量子性质相较于单光子的测量值出现了接近2N倍的增强（2N为宏观纠缠光子数），可以观测到宏观光子纠缠整体态的固有的量子性质，从而大大提高频率和波数的测量精度，使其接近海森堡量子极限。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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为本申请提供的宏观量子纠缠态的量子增强方法实施例得到的观测多光子多维度纠缠光整体态的几率的图样；

图2为本申请提供的宏观量子纠缠态的量子增强方法实施例得到的观测多光子多维度纠缠光整体态的几率的图样经傅里叶变换后的图；

图3为本申请提供的宏观量子纠缠态的量子增强方法中第一测量电路的结构示意图；

图4为本申请提供的宏观量子纠缠态的量子增强方法中第二测量电路的结构示意图；

图5为本申请提供的宏观量子纠缠态的量子增强方法中第三测量电路的结构示意图；

图6为本申请提供的一种宏观量子纠缠态的量子增强装置中的测量电路的结构示意图。

图中，11-第一多光子纠缠光源，12-第一线性偏振镜，13-第一1/4波片，14-第一符合测量，15-第二线性偏振镜，16-第二1/4波片；21-第二多光子纠缠光源，22-第三线性偏振镜，23-第三1/4波片，24-第二符合测量，25-第四线性偏振镜，26-第四1/4波片；31-第三多光子纠缠光源，32-第五偏振分光棱镜，33-第五1/4波片，34-第六1/4波片，35-第三符合测量，36-第六偏振分光棱镜，37-第七1/4波片，38-第八1/4波片；41-第四多光子纠缠光源，42-第七偏振分光棱镜，43-第四符合测量，44-第八偏振分光棱镜。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

根据量子力学测不准关系，当量子***中的光子位相完全不确定时，光子数完全确定，光子数测量精度可以达到海森堡极限；当量子***中的光程差完全不确定时，光子纠缠整体态的波数完全确定，波数测量精度可以达到海森堡极限；当量子***中的延迟时间完全不确定时，光子纠缠整体态的整体频率完全确定，频率测量精度可以达到海森堡极限。随机相移，随机光程差，随机延迟正是量子迭加纠缠固有的内禀随机性和不确定性。现有的技术通过人为的操纵，精确控制相位，消除了量子迭加纠缠的内禀随机相移，从而实现相位测量精度达到海森堡极限，但光子纠缠整体态的波数、频率完全不确定，因此难以观测得到宏观光子纠缠作为整体态固有的量子性质。基于这一技术问题，本申请提供一种宏观量子纠缠态的量子增强方法，可以观测到宏观光子纠缠整体态的固有的量子性质，实现量子增强，从而大大提高频率和波数的测量精度，使其接近海森堡量子极限。

其具体技术方案包括:

提供宏观尺度多光子多维度纠缠光；

以所述宏观尺度多光子多维度纠缠光作为光源，根据待测物理量不同选择不同的测量电路；同时观测两个组态的所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的量子态，其中所述测量电路同时提供两个组态的宏观尺度多光子多维度纠缠光；

获取两个组态的所述宏观尺度多光子多维度纠缠光处于量子叠加态时的观测结果，得到所述宏观光子纠缠整体态的固有量子性质。

所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的量子态通常包括三种量子态，其具体为第一量子态、第二量子态和第三量子态；

所述第一量子态由下式表达：

；

所述第二量子态由下式表达：

；

所述第三量子态由下式表达：

；

其中，2N为纠缠光子数，

为第一偶宇称，/>

为第二偶宇称；总自旋角动量为2N ћ，/>

总自旋角动量为2N ћ，/>

总自旋角动量为-2Nћ。/>

为第三偶宇称，总自旋角动量为零；R_k为右圆偏振，自旋为1，波矢K沿+Z方向；L_k为左圆偏振，自旋为-1，波矢K沿+Z方向；/>

为右圆偏振，自旋为1，波矢K沿-Z方向；

为左圆偏振，自旋为-1，波矢K沿-Z方向。

需要说明的是，同时观测两个组态的所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的量子态，是指观测由一测量电路中的可以双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的光源同时输出的两路宏观尺度多光子多维度纠缠光的宏观整体态的几率，因此当二者同时处于量子叠加态（整体态）时，可以观测该宏观尺度多光子多维度纠缠光的固有量子性质。在本申请中，所述固有量子性质包括纠缠光的平均寿命、频率宽度、波数宽度，

以两路宏观尺度多光子多维度纠缠光的量子态

为例，本申请中产生的多光子多维度纠缠光中的纠缠光子数2N为至少1×10¹¹，例如2N = 4.4474 ×10¹¹ ，宏观尺度多光子多维度纠缠光由基于He-Ne的激光器产生，观测多光子多维度纠缠光整体态的几率为：

其观测多光子多维度纠缠光整体态的几率的图样如图1所示，其中当整体态的几率无法观测时，此时宏观尺度多光子多维度纠缠光已退相干为经典光，整体态退相干为经典态的临界时间即为这一宏观纠缠光的平均寿命，例如在图1中，当实验观测时间大于2410.9秒，整体态几率图消失，则2410.9秒即为该纠缠光的平均寿命，即：τ _寿命 = 2.4109 ×10³秒。

此外，纠缠光的寿命源于纠缠原子的寿命，即实验同时确定了纠缠原子的寿命。1/τ _寿命也是纠缠Ne原子受激辐射的几率。

此外，宏观尺度多光子多维度纠缠光整体态的频率宽度可以根据量子力学测不准关系最低极限通过该纠缠光的平均寿命直接计算得到，也可以通过纠缠光整体态的几率的图样经傅里叶变换得到。

当频率宽度通过该纠缠光整体态的平均寿命直接计算得到时，可以按照以下计算公式得到：Δw =1/τ _寿命。

依然以上述量子态

为例，则该纠缠光整体态的频率宽度为Δw =1/τ _寿命=1/(2.4109×10³)=4.1478 ×10^-4Hz。

为了验证这一计算结果的可靠性，将上述图1得到的整体态的几率的图样进行傅里叶变换得到纠缠Ne原子受激辐射纠缠光频谱，如图2所示，得到频率的几率P（w-w₀），其得到的频率宽度为Δw=4.15162×10^-4 Hz，可见，二者的结果基本一致。

宏观尺度多光子多维度纠缠光整体态的波数宽度ΔK也可以根据量子力学测不准关系最低极限通过该纠缠光整体态的平均寿命直接计算得到，其具体计算公式为：

ΔK=1/ L_寿命 =1/ ( C×τ_寿命),

其中，L_寿命纠缠光的空间寿命，当

，/>

的空间距离大于L_寿命，退相干为经典态；C为常数，其值为C=2.9979 ×10¹⁰cm ·s^-1 。

以τ_寿命 = 2.4109 × 10³秒为例，

L_寿命 = C×τ_寿命 = 7.2276 ×10¹³cm。

ΔK×L_寿命 =1，则ΔK = 1/ L_寿命 =1.3836 ×10^-14cm^-1 。

由于上述宏观尺度多光子多维度纠缠光由基于He-Ne的激光器产生，而He-Ne激光自然寿命（即自发辐射单光子迭加态的寿命）τ_自然 = 7.9592 ×10^-9秒；而采用本申请的宏观尺度多光子多维度纠缠光的宏观光子纠缠态平均寿命：τ_寿命 = 2.4109 × 10³秒，为τ_自然 的3.0291×10¹¹倍，这与宏观尺度多光子多维度纠缠光的光子数2N接近，可见采用本申请所采用的方法可以实现观测得到的纠缠态平均寿命增强，其增强倍数与宏观尺度多光子多维度纠缠光的光子数接近。同理的，其观测获得的宏观纠缠光子频率宽度也接近自然线宽的1/（2N）倍，其波数宽度也接近单光子波数宽度的1/（2N）倍。可见，采用本申请提供的方法观测上述宏观尺度多光子多维度纠缠光获得的固有量子性质与单光子的固有量子性质均出现了接近光子数的增强，其测量精度达到海森堡极限。

需要说明的是，在图1中显示，纠缠光子

出现的时间是完全随机的。在量子电动力学描述有确定能量、确定角动量、确定宇称的光子波函数中有关时间的波函数是e^-iwt，这是一个周期函数，它不能描述纠缠光时间的随机性，不确定性；也不能描述原子自发辐射时间的随机性。

同理的，

和/>

的观测方法和计算方法与/>

相同，因此在此处不再一一赘述。

在一些实施例中，对应三种量子态，所述测量电路包括第一测量电路、第二测量电路和第三测量电路；

如，对应

这一量子态，参阅图3，第一测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第一多光子纠缠光源11所述第一多光子纠缠光源11的两端分别设置有第一光学组件和第二光学组件，所述第一多光子纠缠光源11两端输出的光源分别经第一光学组件和第二光学组件输入第一符合测量14。其中，所述第一光学组件包括第一线性偏振镜12和第一1/4波片13；所述第二光学组件包括第二线性偏振镜15和第二1/4波片16；所述第一多光子纠缠光源11一端输出的光源依次经过所述第一线性偏振镜12、第一1/4波片13输入所述第一符合测量14，所述第一多光子纠缠光源11另一端输出的光源依次经过所述第二线性偏振镜15、第二1/4波片16输入所述第一符合测量14。

需要说明的是，多光子纠缠光源11两端输出的光源对应的第一线性偏振镜12和第二线性偏振镜15的角度设置（偏振方向与偏振片透射轴夹角角度）并不相同，其中第一线性偏振镜12的偏振片角度设置为-90°，第二线性偏振镜15的偏振片角度设置为0°，第一线性偏振镜12产生-90°线偏振光经θ=-45°的第一1/4波片13出射左圆偏振光；第二线性偏振镜15产生0°线偏振光经θ=45°的第二1/4波片16出射右圆偏振光。

需要说明的是，本申请所采用的多光子纠缠光源可以为两端能产生宏观尺度多光子多维度纠缠光的光源发生器，如CN109581656B公开的多光子纠缠光源。

如，对应

这一量子态，参阅图4，第二测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第二多光子纠缠光源21，所述第二多光子纠缠光源21的两端分别设置有第三光学组件和第四光学组件，所述第二多光子纠缠光源21两端输出的光源分别经第三光学组件和第四光学组件输入所述第二符合测量24。其中，所述第三光学组件包括第三线性偏振镜22和第三1/4波片23；所述第二多光子纠缠光源21一端输出的光源依次经过所述第三线性偏振镜22、第三1/4波片23输入所述第二符合测量24；第四光学组件包括第四线性偏振镜25和第四1/4波片26；所述第二多光子纠缠光源21另一端输出的光源依次经过所述第四线性偏振镜25、第四1/4波片26输入所述第二符合测量24。

需要说明的是，第二多光子纠缠光源21两端输出的光源对应的第三线性偏振镜22和第四线性偏振镜25的角度设置（偏振方向与偏振片透射轴夹角角度）并不相同，其中第三线性偏振镜22角度设置为180°，第四线性偏振镜25角度设置为90°，第三线性偏振镜22产生180度线偏振光经θ=-45°的第三1/4波片23出射右圆偏振光，第四线性偏振镜25产生90度线偏振光经θ=225°的第四1/4波片26出射左圆偏振光；

如，对应

这一量子态，参阅图5，第三测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第三多光子纠缠光源31；所述第三多光子纠缠光源31的两端分别设置有第五光学组件和第六光学组件，所述第三多光子纠缠光源31两端输出的光源分别经第五光学组件和第六光学组件输入所述第三符合测量35；其中，所述第五光学组件包括第五偏振分光棱镜32、第五1/4波片33和第六1/4波片34；第六光学组件包括第六偏振分光棱镜36、第七1/4波片37和第八1/4波片38；所述第三多光子纠缠光源31一端输出的光源经所述第五偏振分光棱镜32出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光分别经过第五1/4波片33、第六1/4波片34输入所述第三符合测量35；所述第三多光子纠缠光源31另一端输出的光源经所述第六偏振分光棱镜36出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光分别经过第七1/4波片37、第八1/4波片38输入所述第三符合测量35。

需要说明的是，第三多光子纠缠光源31两端输出的光源分别经过对应的第五偏振分光棱镜32和第六偏振分光棱镜36出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，其中第五偏振分光棱镜32出射的水平线偏振光经θ=-45°的第五1/4波片33出射右圆偏振光、垂直线偏振光经θ=-45°的第六1/4波片34出射左圆偏振光；第六偏振分光棱镜36出射的水平线偏振光经θ=45°的第七1/4波片37出射右圆偏振光、垂直线偏振光经θ=225°的第八1/4波片38出射左圆偏振光。

其中，

，/>

，/>

是测量算符/>

的本征态，可同时测量。

在一些实施例中，当所述

在H/V基矢上时，其量子态的表示式为：

其中，/>

，是测量算符/>

的本征态；

在这一情况下，参阅图6，所述第三测量电路的结构还可以为：包括第四多光子纠缠光源41、所述第七光学组件、第八光学组件和第四符合测量43的测量电路，第七光学组件包括第七偏振分光棱镜42，第八光学组件包括第八偏振分光棱镜44；第四多光子纠缠光源41一端输出的光源经所述第七偏振分光棱镜42出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入第四符合测量43；第四多光子纠缠光源41一端输出的光源经所述第八偏振分光棱镜44出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入第四符合测量43。

需要说明的是，

，/>

互不对易，不能同时测量。

本申请还提供一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的多光子纠缠光源，所述多光子纠缠光源的两端分别设置有第一光学组件和第二光学组件，所述多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第一光学组件和第二光学组件输入所述第一符合测量；

其中，所述第一光学组件包括角度设置为-90°的第一线性偏振镜和θ=-45°的第一1/4波片；所述第二光学组件包括角度设置为0°第二线性偏振镜和θ=45°的第二1/4波片；所述第一多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第一线性偏振镜、第一1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第一符合测量；所述第一多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第二线性偏振镜、第二1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第一符合测量。

本申请还提供一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，包括双向输出宏观尺度多光子多维度纠缠光的第二多光子纠缠光源和分别设置在所述第二多光子纠缠光源的两端的第三光学组件、第四光学组件，所述第二多光子纠缠光源两端输出的光源分别经所述第三光学组件、第四光学组件输入第二符合测量；

所述第三光学组件包括角度设置为180°的第三线性偏振镜和θ=-45°的第三1/4波片，所述第四光学组件包括角度设置为90°的第四线性偏振镜和θ=225°的第四1/4波片，所述第二多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第三线性偏振镜、第三1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第二符合测量；所述第二多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第四线性偏振镜、第四1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第二符合测量。

本申请还提供一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第三多光子纠缠光源；所述第三多光子纠缠光源的两端分别设置有第五光学组件和第六光学组件，所述第三多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第五光学组件和第六光学组件输入所述第三符合测量；

其中，所述第五光学组件包括第五偏振分光棱镜、第五1/4波片和第六1/4波片；所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=-45°的所述第五1/4波片，所述第五偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=-45°的所述第六1/4波片；所述第六光学组件包括第六偏振分光棱镜、第七1/4波片和第八1/4波片；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=45°的所述第七1/4波片，所述第六偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=225°的所述第八1/4波片；所述多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经过第五1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、所述垂直线偏振光经过第六1/4波片出射左圆偏振光并输入第三符合测量；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经第七1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、所述垂直线偏振光经过第八1/4波片出射左圆偏振光并输入所述第三符合测量。

本申请还提供一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第四多光子纠缠光源41；所述第四多光子纠缠光源41的两端分别设置有第七光学组件和第八光学组件，所述第四多光子纠缠光源41两端输出的光源分别经第七光学组件和第八光学组件输入所述第四符合测量43；

其中，所述第七光学组件包括第七偏振分光棱镜42；所述第四多光子纠缠光源41一端输出的光源经所述第七偏振分光棱镜42出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量43；所述第八光学组件包括第八偏振分光棱镜；所述第四多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第八偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种宏观量子纠缠态的量子增强方法，其特征在于，包括：

提供宏观尺度多光子多维度纠缠光；

以所述宏观尺度多光子多维度纠缠光作为光源，根据待测物理量不同选择不同的测量电路，其中所述测量电路同时提供两个组态的宏观尺度多光子多维度纠缠光；

观测两个组态的所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的量子态，获取两个组态的所述宏观尺度多光子多维度纠缠光处于量子叠加态时的观测结果，得到所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的纠缠整体态的固有量子性质。

2.根据权利要求1所述的一种宏观量子纠缠态的量子增强方法，其特征在于，所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的所述观测结果相较于单光子的观测结果增强倍数为2N倍；其中2N为宏观纠缠光子数。

3.根据权利要求1所述的一种宏观量子纠缠态的量子增强方法，其特征在于，所述固有量子性质包括纠缠光的平均寿命、频率宽度、波数宽度；所述量子态为第一量子态、第二量子态和第三量子态；

所述第一量子态由下式表达：

，

所述第二量子态由下式表达：

，

所述第三量子态由下式表达：

；

其中，2N为纠缠光子数，∣

>为第一偶宇称，∣/>

>第二偶宇称；∣/>

>总自旋角动量为2N ћ，∣/>

>总自旋角动量为-2N ћ，∣/>

>为第三偶宇称，总自旋角动量为零；

为右圆偏振，自旋为1，波矢K沿+Z方向；/>

为左圆偏振，自旋为-1，波矢K沿+Z方向；

为右圆偏振，自旋为1，波矢K沿-Z方向；/>

为左圆偏振，自旋为-1，波矢K沿-Z方向。

4.根据权利要求3所述的一种宏观量子纠缠态的量子增强方法，其特征在于，

所述测量电路包括第一测量电路、第二测量电路和第三测量电路；

其中，第一测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第一多光子纠缠光源和分别设置在第一多光子纠缠光源的两端的第一光学组件、第二光学组件，所述第一多光子纠缠光源两端输出的光源分别经所述第一光学组件、第二光学组件输入第一符合测量；

第二测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第二多光子纠缠光源和分别设置在所述第二多光子纠缠光源的两端的第三光学组件、第四光学组件，所述第二多光子纠缠光源两端输出的光源分别经所述第三光学组件、第四光学组件输入第二符合测量；

第三测量电路包括用于双向输出所述宏观尺度多光子多维度纠缠光的第三多光子纠缠光源和分别设置所述第三多光子纠缠光源的两端的第五光学组件、第六光学组件，所述第三多光子纠缠光源两端输出的光源分别经所述第五光学组件、第六光学组件输入第三符合测量。

5.根据权利要求4所述的一种宏观量子纠缠态的量子增强方法，其特征在于，所述第一光学组件包括第一线性偏振镜和第一1/4波片，所述第一线性偏振片的角度设置为-90°；所述第二光学组件包括第二线性偏振镜和第二1/4波片，所述第二线性偏振镜的角度设置为0°；所述第一多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第一线性偏振镜、θ=-45°的第一1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第一符合测量；所述第一多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第二线性偏振镜、θ=45°的第二1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第一符合测量；和/或

所述第三光学组件包括第三线性偏振镜和第三1/4波片，所述第三线性偏振片的角度设置为180°；所述第四光学组件包括第四线性偏振镜和第四1/4波片，所述第四线性偏振镜的角度设置为90°；所述第二多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第三线性偏振镜、θ=-45°的第三1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第二符合测量；所述第二多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第四线性偏振镜、θ=225°的第四1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第二符合测量；和/或

所述第五光学组件包括第五偏振分光棱镜、第五1/4波片和第六1/4波片；所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=-45°的所述第五1/4波片，所述第五偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=-45°的所述第六1/4波片；所述第六光学组件包括第六偏振分光棱镜、第七1/4波片和第八1/4波片；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=45°的所述第七1/4波片，所述第六偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=225°的所述第八1/4波片；所述多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经过第五1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、所述垂直线偏振光经过第六1/4波片出射左圆偏振光并输入第三符合测量；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经第七1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、垂直线偏振光经过第八1/4波片出射左圆偏振光并输入所述第三符合测量。

6.根据权利要求4所述的一种宏观量子纠缠态的量子增强方法，其特征在于，所述第三测量电路还可以为包括第四多光子纠缠光源、第七光学组件、第八光学组件和第四符合测量的测量电路，所述第七光学组件包括第七偏振分光棱镜；所述第八光学组件包括第八偏振分光棱镜；所述第四多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第七偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量；所述第四多光子纠缠光源另一端输出的光源经所述第八偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量。

7.一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，其特征在于，包括用于双向输出宏观尺度多光子多维度纠缠光的第一多光子纠缠光源和分别设置在所述第一多光子纠缠光源的两端的第一光学组件和第二光学组件，所述第一多光子纠缠光源两端输出的光源分别经所述第一光学组件和第二光学组件输入第一符合测量；

其中，所述第一光学组件包括角度设置为-90°的第一线性偏振镜和θ=-45°的第一1/4波片，所述第二光学组件包括角度设置为0°第二线性偏振镜和θ=45°的第二1/4波片；所述第一多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第一线性偏振镜、第一1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第一符合测量；所述第一多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第二线性偏振镜、第二1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第一符合测量。

8.一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，其特征在于，包括双向输出宏观尺度多光子多维度纠缠光的第二多光子纠缠光源和分别设置在所述第二多光子纠缠光源的两端的第三光学组件、第四光学组件，所述第二多光子纠缠光源两端输出的光源分别经所述第三光学组件、第四光学组件输入第二符合测量；所述第三光学组件包括角度设置为180°的第三线性偏振镜和θ=-45°的第三1/4波片，所述第四光学组件包括角度设置为90°的第四线性偏振镜和θ=225°的第四1/4波片，所述第二多光子纠缠光源一端输出的光源依次经过所述第三线性偏振镜、第三1/4波片出射右圆偏振光，且该右圆偏振光输入所述第二符合测量；所述第二多光子纠缠光源另一端输出的光源依次经过所述第四线性偏振镜、第四1/4波片出射左圆偏振光，且该左圆偏振光输入所述第二符合测量。

9.一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，其特征在于，包括用于双向输出宏观尺度多光子多维度纠缠光的第三多光子纠缠光源和分别设置在所述第三多光子纠缠光源的两端的第五光学组件和第六光学组件，所述第三多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第五光学组件和第六光学组件输入第三符合测量；

其中，所述第五光学组件包括第五偏振分光棱镜、第五1/4波片和第六1/4波片；所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=-45°的所述第五1/4波片，所述第五偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=-45°的所述第六1/4波片；所述第六光学组件包括第六偏振分光棱镜、第七1/4波片和第八1/4波片；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光入射θ=45°的所述第七1/4波片，所述第六偏振分光棱镜出射的垂直线偏振光入射θ=225°的所述第八1/4波片；所述多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第五偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经过第五1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、所述垂直线偏振光经过第六1/4波片出射左圆偏振光并输入第三符合测量；所述第六偏振分光棱镜出射的水平线偏振光经第七1/4波片出射右圆偏振光并输入所述第三符合测量、所述垂直线偏振光经过第八1/4波片出射左圆偏振光并输入所述第三符合测量。

10.一种宏观量子纠缠态的量子增强装置，其特征在于，包括用于双向输出宏观尺度多光子多维度纠缠光的第四多光子纠缠光源和分别设置在所述第四多光子纠缠光源的两端的第七光学组件和第八光学组件，所述第四多光子纠缠光源两端输出的光源分别经第七光学组件和第八光学组件输入第四符合测量；

其中，所述第七光学组件包括第七偏振分光棱镜；所述第四多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第七偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量；所述第八光学组件包括第八偏振分光棱镜；所述第四多光子纠缠光源一端输出的光源经所述第八偏振分光棱镜出射一水平线偏振光和一垂直线偏振光，且所述水平线偏振光和垂直线偏振光输入所述第四符合测量。

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