布洛赫球面上任意镜像对称分布的量子克隆:最优性证明及实用光子学实现方案

我们研究能够优于通用克隆的态相关量子克隆。这可以通过利用待克隆量子态的一些先验信息来实现。具体而言,我们提出了量子最优镜像相位协变克隆的推广和光学实现,该克隆涉及已知泡利Z算符期望值模的量子比特集合的最优克隆。我们的结果可应用于克隆布洛赫球面上量子比特的任意镜像对称分布,特殊情况包括通用克隆和相位协变克隆。我们通过调整先前针对轴对称克隆的最优性证明[Phys. Rev. 82, 042330 (2010)],证明了该克隆是最优的。此外,我们提出了一种量子比特的最优镜像相位协变1到2克隆的光学实现方案,其成功克隆的平均概率从1/6到1/3不等,具体取决于待克隆量子比特集合的先验信息。量子比特由I型自发参量下转换产生的光子偏振态表示。该方案基于两个光子在非平衡偏振相关分束器上的干涉,该分束器对垂直和水平偏振分量具有不同的分束比,并额外应用了基于普克尔斯盒的前馈。我们仔细研究了所提装置的实验可行性,包括各种缺陷和损耗:(i) I型自发参量下转换中产生纠缠光子对的有限效率,(ii) 选择非平衡分束器不同分束比的影响,(iii) 使用常规和单光子鉴别探测器,(iv) 暗计数和探测器的有限效率。