量子态远程制备及纠缠态区分

摘要

量子信息是近三十年发展起来的新型学科，它是密码学、信息学、数学、物理学相结合的交叉研究领域。量子信息主要包含量子计算和量子通信两个子分支。它们将信息编码在量子态上，利用量子力学的基本原理保证信息的安全传输和获取更加快速的计算能力。量子纠缠是一种特有的量子现象，没有经典对应，它作为量子信息处理的基本资源倍受关注。量子信息处理过程主要涉及到信息的生成、传输、加载和读取四个部分，实验上则对应为量子态的制备、传输、操控和测量四个必要的步骤。量子通信过程的核心就是携带有秘密信息的量子态在通信各方之间的传输过程。最直观的办法是通过实际信道直接传送，但这样就将量子态暴露于外界窃听者和环境噪声之下，会影响整个通信方案的安全性和成功率。量子力学的基本原理给我们提供了更安全有效的传输方式，即先建立纠缠信道，再借助信道实现非直接传输。两种典型传送方式分别为量子隐形传态和量子态远程制备。
　　本文研究基于非最大纠缠信道的量子态远程制备，在保证安全的前提下提出了两个量子态受控远程制备方案，即单比特和两比特量子态的制备方案。和已有的方案相比，我们的方案具有既不需要辅助粒子也不需要两比特酉变换的优点。方案的成功率与信道参数无关，对于制备任意的单比特量子态和两比特量子态的成功率分别为50％和25%。此外对于一些特殊的量子态，方案成功率能提高到100%。提出基于时间自由度辅助的N光子极化Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态区分方案。我们借助单光子Bell态测量和时间自由度实现了极化Bell态和三光子GHZ态的区分，并推广到N光子GHZ态的区分。方案仅需线性光学元件即可非局域地区分一组GHZ态，理论成功率为100%。

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1 引 言

2 量子信息基础

2.1量子态的描述

2.1.1 量子比特

2.1.2 纯态和混合态

2.1.3 直积态和纠缠态

2.2 量子操控

2.2.1 量子门

2.2.2 量子测量

2.3 常用的量子光学器件

3 量子态远程制备

3.1 量子态远程制备的基本原理

3.2 量子态远程制备的推广

3.2.1量子态受控远程制备

3.2.2量子态联合远程制备

3.3 基于MS态的量子态远程制备

3.3.1 单比特量子态远程制备

3.3.2 两比特量子态远程制备

3.4 比较和讨论

4 基于时间自由度辅助的光子极化GHZ态区分

4.1 纠缠态区分的一般方法

4.1.1 基于时间—能量自由度辅助的极化Bell态区分方案

4.1.2 基于线性光学元件的极化GHZ态区分方案

4.2 时间—极化单光子Bell态的测量原理

4.3 借助单光子Bell态测量的极化GHZ态区分方案

4.3.1 三光子极化GHZ态区分方案

4.3.2 N 光子极化GHZ区分方案

4.4 小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录