基于催化式量子剪切装置的非高斯态制备及应用

摘要

量子态的制备是量子信息传输的前提，而非高斯量子态的制备在量子信息处理中扮演着重要的角色，而且对其非经典特性的研究和纠缠特性的改善受到持续地关注。本论文在基于Pegg，Phillips和Barnett提出的量子剪切装置，实现了两种非高斯量子态的制备方案。探究了量子剪切的物理本质，利用量子力学中相关的非经典性和量子纠缠的相关度量方法，充分分析所制备的非高斯态的非经典特性和纠缠特性。本文具体的研究方案内容如下：　　本文考虑了单光子输入以及单光子探测的量子催化情况，给出催化式量子剪切的等效算符，以便于看清量子剪切的物理本质。将相干态作为输入态时，经过非对称光束分离器，输出态可截断成零光子、单光子和双光子组分；而对于对称光束分离器，输出态仅截断为零光子和双光子组分。然后，通过平均光子数、信噪比、压缩度和Wigner函数讨论了所制备非高斯量子态的非经典性。研究结果表明，相干态的振幅较大时输出态显示出强烈的非经典性。总之，通过调控光束分离器的透射率和振幅参量总是能够实现输出态的高非经典性和信号放大。这些研究可能在量子信息和量子计算领域中起着重要的作用。　　基于量子剪切操作作用到双模压缩真空态（TMSVS）上，可将输出量子态剪切为双模真空态、双模单光子态和双模双光子态的叠加。接着，通过调节光束分离器的透射率，输出量子态的组分则会发生变化。此外，进一步利用了纠缠熵、Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)关联和压缩特性来研究输出量子态的纠缠特性。研究发现，在低透射率弱压缩和高透射率弱压缩区域下，输出态的纠缠特性得到改善。值得注意的是，输出态的 EPR 关联加强区域几乎是纠缠度和压缩效应改善的子区域，这表明 EPR 关联是分析量子态纠缠是否改善的最为严格标准。本论文的研究成果将有望为实现长距离量子保密通信提供理论参考。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.3 本文的研究内容和论文框架

第2章电磁场量子态及其性质度量

2.1 常用的量子态

2.1.1 粒子数态(Fock态)

2.1.2 相干态丨α(〉)和它的重要性质

2.1.3 压缩真空态丨ζ(〉)及其性质

2.1.4 双模压缩真空态TMSVS及其性质

2.2 有序算符内的积分技术（IWOP 技术）

2.3 非经典性和纠缠特性的度量方法

2.3.1Mandel Q参数

2.3.2 二阶关联函数

2.3.3 准概率分布的Wigner函数

2.3.4Von Neumann熵

2.3.5 EPR关联

2.4 本章小结

第3章 多光子叠加态的制备和非经典特性研究

3.1 引言

3.2量子剪切装置的理论模型

3.2.1 理论模型

3.2.2等效算符

3.3 相干态的量子剪切

3.3.1相干态的信号放大

3.3.2探测概率

3.3.3保真度

3.4 量子态的统计特性

3.4.1平均光子数

3.4.2信噪比的情况

3.4.3压缩特性

3.4.5 输出态的Wigner函数

3.5 本章小结

第4章 双模光子叠加态制备和纠缠特性

4.1 引言

4.2 双模量子剪切理论方案

4.3输出态的探测概率与保真度

4.3.1探测概率

4.3.2 输出态与输入态的保真度

4.4 输出量子态的纠缠特性

4.4.1 纠缠度

4.4.2 EPR关联

4.5压缩特性

4.6 本章小结

第 5 章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表论文（著）及科研情况