基于弱交叉克尔介质的光学量子交换门与GHZ态分析器研究

摘要

量子信息处理涵盖量子通信与量子计算，是量子力学与信息科学相结合而产生的交叉学科，能够保证信息的安全传输、高效存储与运算，解决经典通信和经典计算机无法完成的任务。由于光子具有容易制备、操控，不易受外界环境的影响等特点，在量子信息处理中通常采用光子作为量子信息的载体。然而，光子之间不容易发生相互作用，成为限制光学量子信息处理发展的主要障碍之一。弱交叉克尔介质的出现解决了这一难题，它能够使光子之间发生非线性相互作用。本文研究了基于弱交叉克尔介质的光量子交换门与GHZ态分析器的设计。
　　首先，本文对量子信息处理进行了简要概述，介绍了量子通信和量子计算的发展历程；简要介绍了未知量子态不可克隆定理、海森堡不确定性原理、量子态演化假设等量子力学理论知识，介绍了与量子光学相关的Fock态、相干态以及线性光学元件，重点介绍了弱交叉克尔非线性效应。
　　其次，基于弱交叉克尔非线性效应，分别提出了受控路径门和量子Fredkin门方案，并对这两个方案的工作过程与成功率进行了详细的理论分析，结果表明采用弱交叉克尔介质实现的受控路径门和量子 Fredkin门的成功率接近于100％。方案中，对与光子发生相互作用之后的相干态进行零差检测，根据不同的测量结果执行相应的经典前向反馈操作，从而实现量子逻辑门。同时，简要介绍了基于线性光学元件的光学量子交换单元，对其各部分模块进行了改进，使得整体成功率大大提升。
　　第三，在研究目前已有GHZ态分析器方案的基础上，提出了一种基于弱交叉克尔介质的通用偏振GHZ态分析器方案。首先利用弱交叉克尔非线性效应并结合零差检测以及经典前向反馈操作判断出输入GHZ纠缠态的类别，然后通过单光子探测器判断出输入 GHZ纠缠态的具体形式，从而可完全区分出所有 GHZ态。本文对三光子偏振GHZ态分析器进行了详细的理论分析，并扩展到多光子偏振GHZ态分析器。此外，还简要介绍了采用三光子偏振GHZ态分析器实现的测量设备无关量子密钥分发（Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution，MDI-QKD）协议。
　　最后，对全文进行了总结与展望。在光学量子交换单元的改进方案中，量子态融合门的成功率仅为1/8，其主体部分仍然是由线性光学元件构成的。因此下一步的工作是基于弱交叉克尔介质构建量子态融合门，使其成功率达到100%。对于采用三光子偏振GHZ态分析器实现的MDI-QKD协议，本文并未对其安全性和密钥生成率进行分析，因此下一步的工作还需要对该协议进行安全性证明并分析其密钥生成率。

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第一章 绪论

1.1 量子信息处理概述

1.2 量子通信的国内外发展现状

1.3 量子计算的国内外发展现状

1.4 论文主要工作及章节安排

第二章 光学量子信息处理理论基础

2.1 量子力学的相关理论

2.2 量子光学的相关概念与线性光学元件

2.3 基于弱交叉克尔非线性效应的光量子非破坏性测量

2.4 本章小结

第三章 基于弱交叉克尔介质的量子Fredkin门及量子交换单元设计

3.1 Nemoto和Munro提出的CNOT门方案

3.2 一种基于弱交叉克尔介质的受控路径门

3.3 基于受控路径门的量子Fredkin门

3.4 基于量子Fredkin门的光学量子交换单元

3.5 本章小结

第四章 基于弱交叉克尔介质的GHZ态分析器及在MDI-QKD中的应用

4.1 潘建伟和Zeilinger提出的GHZ态分析器

4.2 基于弱交叉克尔介质的GHZ态分析器

4.3 新型GHZ态分析器在MDI-QKD中的应用

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

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