基于线性光学的纠缠辅助逻辑贝尔态测量：突破量子信息协议成功率瓶颈

本研究针对量子信息协议中逻辑贝尔态测量(LBSM)成功率低的瓶颈问题，提出利用线性光学元件和辅助纠缠态构建纠缠辅助逻辑贝尔态测量(EALBSM)方案。通过双光子编码将成功率提升至93.75%，N光子编码时可达P(N)=1?(1/4)N，并验证其对实验误差的强鲁棒性，为逻辑量子比特编码的实用化提供关键技术支撑。

　　

在量子信息科学领域，贝尔态测量(BSM)如同量子世界的"指纹识别"，是量子隐形传态、纠缠交换等核心协议的关键环节。然而传统线性光学BSM受限于不可区分性问题，双光子偏振BSM成功率长期停滞在50%。尽管超纠缠态或非线性光学方案能提高成功率，前者需要复杂多自由度纠缠，后者则面临实验实现难题。更严峻的是，在逻辑量子比特编码体系中，现有逻辑贝尔态测量(LBSM)方案即使采用两光子编码，成功率也仅75%，严重制约量子中继器等长距离通信应用的可行性。

北京教育委员会资助的研究团队通过创新性引入辅助纠缠资源，构建了纠缠辅助逻辑贝尔态测量(EALBSM)方案。该研究采用理论建模与数值模拟相结合的方法，重点分析了双光子编码场景下的光学线路设计，并扩展到N光子编码的普适性情况。通过建立包含光子源噪声和探测器损耗的理论框架，系统评估了方案的鲁棒性。

纠缠辅助逻辑贝尔态测量
研究团队设计了包含偏振分束器(PBS)、半波片等线性光学元件的干涉仪结构，通过注入两对辅助贝尔态光子，将双光子编码LBSM的成功率从75%提升至93.75%。理论推导表明，N光子编码时成功率遵循P(N)=1?(1/4)^N的指数增长规律，当N=4时已达99.6%。

鲁棒性分析
针对实际实验中的两大主要误差源——光子数分辨探测器(PNRD)效率η和双光子源纯度μ，研究建立了完整的噪声模型。数据显示，当η=0.9且μ=0.9时，EALBSM成功率仍保持85.3%，显著高于传统LBSM的67.5%，证实方案对实验噪声的强耐受性。

改进的多光子纠缠态EALBSM
进一步研究发现，采用辅助多光子纠缠态可加速成功率提升。例如使用四光子GHZ态作为辅助资源时，仅需两光子编码即可使成功率突破99%，较原始方案所需光子数减少50%，大幅降低实验复杂度。

这项发表于《Optics》的研究标志着线性光学量子测量技术的重大突破。通过巧妙利用辅助纠缠资源，EALBSM方案在保持线性光学系统简洁性的同时，首次实现了接近确定性的逻辑贝尔态区分。其模块化设计可直接嵌入现有量子中继器架构，为长距离量子通信的实用化扫清关键障碍。特别值得注意的是，该方案对实验缺陷的强鲁棒性使其在现有技术条件下即可实施，避免了非线性方案所需的苛刻实验条件。未来通过优化辅助纠缠态结构和开发集成光学平台，有望在量子网络、分布式量子计算等领域产生更深远影响。