量子纠缠浓缩和量子路由器研究

摘要

量子信息处理是一门横跨物理学与信息科学的交叉学科，为人们提供了全新的处理信息的手段和方法。量子纠缠在量子通信与量子计算领域中都扮演着极其重要的角色，已广泛应用于量子隐形传态、量子密钥分发、量子安全直接通信等领域。然而，由于量子态的脆弱性，在实际应用中不可避免的要与周围环境发生相互作用而产生退相干。退相干会使得最大纠缠态退化为部分纠缠态甚至是混合态，这将严重影响量子通信及量子计算的质量与效率。纠缠浓缩就是将部分纠缠态通过局域操作和经典通信恢复到最大纠缠态的一种方法。Concatenated Greenberger-Horne-Zeilinger(C-GHZ)态是在Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的基础上发展而来的一种具有高容错性的量子态。C-GHZ态实际上是一种逻辑比特纠缠态，广泛应用于量子高精度测量、量子容错计算、量子分布式网络及其它量子通信及量子计算中。
　　本文首先对几种经典的纠缠浓缩模型进行简单的介绍，在此基础上，介绍本文的研究工作：一、提出基于控制非门(CNOT门)的C-GHZ态的纠缠浓缩模型。这是第一个关于逻辑比特纠缠的浓缩方案。本方案分别讨论了两种情形下如何具体的进行纠缠的浓缩。本文将该方案推广到任意形式C-GHZ态的纠缠浓缩中。本方案还可实现循环浓缩逐步提高浓缩的成功概率。二、提出在线性光学中，使用极化分束器PBS及光子探测器来实现部分纠缠C-GHZ态的纠缠浓缩。本方案中使用的全部器件均为线性光学器件在现实条件下可进行实验的验证。本方案同样可应用于浓缩任意形式的C-GHZ态。三、提出针对纠缠相干态的纠缠浓缩方案。本文首先使用简单纠缠相干态分析浓缩过程，并进一步将该方案推广到多模纠缠相干态的纠缠浓缩中。
　　本文的另一个研究重点是量子路由器。量子路由器是量子通信中的一个非常重要的器件。它是构建量子通信网络的必备器件，是量子网络中的关键节点。本文首先对经典的量子路由器的构建模型进行分析和总结。然后，本文提出具体可行的基于线性光学的多端口量子路由器的构造方案。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2本文的主要工作及内容安排

第二章 经典纠缠浓缩及量子路由器模型

2.1量子态与量子纠缠

2.2经典纠缠浓缩方案介绍

2.3量子路由器构造方案

2.4本章小结

第三章 基于CNOT门的C-GHZ态的纠缠浓缩

3.1引言

3.2未知系数的C-GHZ态的纠缠浓缩

3.3已知纠缠系数C-GHZ态的纠缠浓缩

3.4任意C-GHZ态的纠缠浓缩

3.5 C-GHZ态的循环浓缩

3.6本章小结

第四章 基于线性光学的C-GHZ态的纠缠浓缩

4.1引言

4.2未知系数的C-GHZ态纠缠浓缩

4.3已知系数的C-GHZ态纠缠浓缩

4.4本章小结

第五章 纠缠相干态的纠缠浓缩

5.1引言

5.2未知纠缠相干态的纠缠浓缩

5.3单相干态辅助的纠缠浓缩

5.4本章小结

第六章 基于线性光学的级联型多端口量子路由器

6.1引言

6.2两端口量子路由器

6.3多级级联量子路由器

6.4利用可调谐相位门改进的多端口量子路由器

6.5多比特多级量子路由器

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1内容总结

7.2研究展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢