光量子与量子通信

近年来，物理学家成功地将量子理论和信息科学结合起来，提出了许多令人耳目一新的概念、原理利方法．1993年C．H．Bennett提出了量子通信的概念；1997年中国科学家潘建伟与荷兰学者波密斯特合作，在国际上率先完成“量子态隐形传输”(简称隐形传态)试验，这是国际上首次通过实验成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上．     

光子四维量子态隐形传输

多维量子纠缠态比二维纠缠态可加载更多的信息,多维量子系统是量子信息处理中一个很重要的资源,本文采用已实现的光子四维纠缠态,给出了光子四维量子态的张量表达式,并描述了四维量子态隐形传输的一般表示方法；通过讨论光子四维量子态系统的量子通道参数矩阵和测量矩阵的特性,得到实现完全传输和非零概率传输的充要备件,最后,本文给出在多种量子通道下的四维态的量子隐形传态方案,这一过程在张量分析表示下十分清晰明了.     

光子四维量子态隐形传输

多维量子纠缠态比二维纠缠态可加载更多的信息,多维量子系统是量子信息处理中一个很重要的资源.本文采用已实现的光子四维纠缠态,给出了光子四维量子态的张量表达式,并描述了四维量子态隐形传输的一般表示方法;通过讨论光子四维量子态系统的量子通道参数矩阵和测量矩阵的特性,得到实现完全传输和非零概率传输的充要条件.最后,本文给出在多种量子通道下的四维态的量子隐形传态方案,这一过程在张量分析表示下十分清晰明了.     

双模压缩态量子相干性演化的实验研究

量子相干性作为量子力学一个最显著的特征,被认为是量子信息过程中很重要的一种量子资源.单模压缩态和双模压缩态(Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态)均具有量子相干性,在制备和传输过程中的量子相干性对于实际应用具有重要意义.利用平衡零拍探测重构量子态的协方差矩阵,本文定量分析了量子态制备过程中的不完美以及信道传输损耗对单模和双模压缩态量子相干性的影响.实验证明量子态的压缩和纠缠特性及量子相干性对损耗均是鲁棒的.特别地,压缩和纠缠特性会随着量子态制备过程中热光子数的增大而减小,直至消失,而当压缩和纠缠均已消失时,量子相干性依然存在.实验结果为压缩态、纠缠态光场的量子相干性作为量子资源在量子信息过程中的应用提供了参考.     

量子直接传态

把一个任意量子态在既有噪声又有窃听的信道下安全可靠地传输,是一个广泛而重要的问题.现在已有的方法是先传输大量的Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)纠缠对,然后进行纠缠纯化,获得一对近似完美的纠缠对,再进行隐形传态或者远程态制备来传输量子态.本文给出一种直接安全传输量子态的方法,通过使用量子直接通信,安全地传输大量同样的任意量子态,然后利用单量子态的纯化方法,得到一个近于完美的量子态.这是一种不需要量子纠缠的量子态安全传输方法,避免使用纠缠资源.这种方案是量子隐形传态和远程态制备之外的又一途径.此外,这一方案将原来只是用来传输经典信息的量子安全直接通信扩展到传输任意量子态的新领域,扩大了量子直接通信的用途.这一方案将在未来量子互联网中有重要的应用.     

利用Cluster State实现远程态制备

量子态是量子信息的载体，因此，从某种意义上说，量子信息过程就是量子态的传递和操作的过程。量子态的远程制备包括量子隐形传态（Telepotation）和远程态制备（Remote State Preparation（RSP））。远程态制备是一种利用纠缠和经典通讯传输量子态的简单方法，相比较量子态telepotation耗费的资源更少（1 ebit and 1 cbit）。Cluster State是一种特殊的量子态，在量子计算方案中有着广泛的应用。我们实验上利用SPDC产生的偏振纠缠双光子，加入时间比特，构造出Cluster State，并利用Cluster State实现了量子态的远程制备。     

解说量子纠缠理论

量子纠缠态在量子信息处理,如量子隐形传态、量子密集码、量子纠错、量子保密通信、量子计算等过程中起了十分重要的作用.量子纠缠理论主要研究量子态的纠缠刻画、分类及其在量子信息处理中的应用.文章介绍了量子纠缠理论中的一些基本概念和结果,其中包括:量子力学的实在性、局域性的讨论与Bell不等式的联系,Bell不等式与量子态可分性间的关系;纯态和混合态可分性的定义及若干判别准则(包括矩阵正映照方法、部分转置判据、约化判据、重排判据、纠缠见证、协方差判据及局域测不准关系判据);部分纠缠度量的介绍(包括纠缠形成、并发度、相对熵、负度、缠结和纠缠帮助,以及纠缠度量的计算和上下界的估算).     

实现光子的远程量子操作

量子纠缠的非局域性质为量子信息应用提供了强有力的工具,利用量子纠缠态可以实现量子隐形传态、量子密集编码、量子密码、远程量子态制备、远程量子态测量.这里,我们将给出一个基于两粒子纠缠态的利用局域操作和经典通信的远程量子操作的实验方案.该方案可以实现对单光子偏振态在Bloch球空间中绕固定方向进行任意旋转操作,或者绕任意方向进行180度旋转操作.     

轨道角动量态的量子存储（英文）

轨道角动量(OAM)光束在精密测量、微小粒子的操控以及基础物理研究等领域具有重要的应用。基于OAM编码的光信息处理由于其大信道容量的优点成为经典和量子通信领域的研究热点,并已在近几年取得了许多突破性进展。在量子信息领域,量子中继是克服通信保真度随传输距离呈指数衰减、实现长距离量子通信的关键技术,其中用于存储量子信息的光量子存储器是组成量子中继的关键器件。尽管人们已成功实现了编码于偏振、路径、time bin等自由度的量子态的存储,然而到2013年以前,存储编码于OAM自由度的量子态的量子存储器仍未实现。近年来我们研究组一直专注于OAM量子态的存储实验研究。本文在概述了量子存储器的各项性能标准后,着重介绍我们组在OAM量子态存储方面取得的一系列研究进展:包括OAM量子比特(qubit)和量子三维态(qutrit)、二维和高维OAM纠缠态以及包含OAM自由度的超纠缠和杂化纠缠的量子存储。这些进展为未来构建高维量子信息网络奠定坚实的基础。     

退相干条件下两比特纠缠态的量子非局域关联检验

量子纠缠态的量子非局域关联特性在当前量子信息和量子计算协议中起着重要的作用.然而,任何实际的物理系统都不可避免地与周围环境相互作用,使得在量子信道中的传输过程中,量子态会发生相干性退化,进而弱化量子态的量子非局域关联特性.本文利用一种基于Hardy-type佯谬的高概率量子非局域关联检验方案,分别研究了两比特偏振纠缠态在经过振幅阻尼信道(ADC)、相位阻尼信道(PDC)和退极化阻尼信道(DC)后的量子非局域关联检验情况.研究结果表明,DC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较大,而PDC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较小.最后,本文还给出了利用弱测量结合弱测量反转操作克服ADC退相干时,偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验的条件.结果表明,当弱测量的强度增大时,可有效地降低ADC退相干效应对偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验造成的影响.     

光子两自由度超并行量子计算与超纠缠态操控

光子系统在量子信息处理和传输过程中有非常重要的应用. 譬如, 利用光子与原子(或人工原子)之间的相互作用, 可以完成信息的安全传输、存储和快速的并行计算处理等任务. 光子系统具有多个自由度, 如极化、空间模式、轨道角动量、时间-能量、频率等自由度. 光子系统的多个自由度可以同时应用于量子信息处理过程. 超并行量子计算利用光子系统多个自由度的光量子态同时进行量子并行计算, 使量子计算具有更强的并行性, 且需要的量子资源少, 更能抵抗光子数损耗等噪声的影响. 多个自由度同时存在纠缠的光子系统量子态称为超纠缠态, 它能够提高量子通信的容量与安全性, 辅助完成一些重要的量子通信任务. 在本综述中, 我们简要介绍了光子系统两自由度量子态在量子信息中的一些新应用, 包括超并行量子计算、超纠缠态分析、超纠缠浓缩和纯化三个部分.     

连续变量量子态的光学操控

量子态的光学操控是指在光场的传输、存储和频率变换等过程中用光学方法对光场的量子态进行操作与控制.量子态操控是量子通讯及量子态制备和应用的基础.在简要介绍连续变量多组份纠缠态光场制备的基础上,概述基于多组份纠缠态光场的连续变量量子通讯网络及在执行压缩态和纠缠态光场操控方面的实验研究进展.     

利用Raman相互作用传送两比特的未知原子态

实现量子态的隐形传送,尤其是多比特量子态的隐形传送在量子信息领域中有非常重要的作用。本文提出了一种隐形传送两比特未知原子态方案。在此方案中,用一个三粒子纠缠态作为量子信道,传送两比特未知原子态。     

利用拉曼型的Jaynes-Cummings模型传送两比特的未知原子态

实现量子态的隐形传送、尤其是多比特量子态的隐形传送在量子信息领域中有非常重要的作用，提出了一种隐形传送两比特未知原子态的方案，在此方案中，用两个两粒子纠缠态代替一个三粒子纠缠态作为量子信道，而且此方案可推广到隐形传送N比特的未知原子态。     

量子远程态制备及其经典信息代价研究

量子远程态制备（Remote State Preparation，简称RSP）是利用量子纠缠通道如EPR纠缠对和经典通信，发送者Alice帮助远处的接收者Bob在他的实验室制备一个量子态。在RSP中，发送者Alice完全知道所要传送的量子态的信息，即它是属于一种已知量子态的传输过程。     

量子相干破坏信道的研究

量子相干态和量子纠缠态在量子计算中具有同等重要的地位,都是量子计算中重要的物理资源。量子相干态可用来制备量子纠缠态,一个量子相干态和一个辅助量子不相干态通过不相干操作可产生量子纠缠态。根据纠缠破坏信道原理提出输入分别是单体最大相干态和二体最大相干态的相干破坏信道,该信道将输入的相干态转化为不相干态,并简单验证了提出的相干破坏信道是否真正破坏了输入的量子相干态的相干性。同时提出量子相干破坏信道可作为检测量子态的相干性一种新的方法。     

原子自发辐射中偶极矩的涨落与最大纠缠态的保持

研究了二能级原子与电磁场相互作用体系的自发辐射与量子纠缠态.在原子的自发辐射过程中,其偶极矩的期待值总是零,但偶极矩的涨落恒等于一个不为零的常量,因此原子的自发辐射是由真空起伏导致偶极矩的涨落引起的.Jaynes-Cummings模型是产生量子纠缠态的重要体系,研究发现,原子与场纠缠态的信息熵和纠缠度随时间作周期性的振荡,量子态在非纠缠与纠缠态之间变化.更为重要的是,在失谐量适当时,量子态将长时间停留在最大纠缠态.     

构造纠缠目击的一般方法

量子纠缠作为量子通信和量子计算过程中不可缺少的资源,在量子信息领域中有着广泛的应用.如何判定一个给定的量子态是否为纠缠态仍然是一个重要的课题.纠缠目击是一种特殊的自伴算子,它可以用来判断一个量子态是否为纠缠态.本文首先从纠缠目击的定义入手,给出构造纠缠目击的一般方法,证明了当一个可测量A在可分纯态上的最大期望CA严格小于它的最大特征值λ_(max)(A)时,对任何满足条件C_A≤Cλ_(max)(A)的参数C,算子W_C=CI-A都是一个纠缠目击;然后,作为应用得到了利用图态的稳定子构造纠缠目击的一系列方法.     

玻色-爱因斯坦凝聚系统的量子Fisher信息与混沌

量子Fisher信息作为经典Fisher信息的自然推广,与量子信息中的纠缠判断具有密切联系.在表现为典型量子混沌特征的受击两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中,研究了与经典相空间对应的纠缠和量子Fisher信息动力学性质. 结果表明,初次撞击后的系统量子态是纠缠的,与初态所处相空间中的混乱程度无关.而量子Fisher信息的动力学演化对系统初态非常敏感,当初态处于混沌区域时,量子Fisher信息值比初态处于规则区域时大.利用这种较好的量子-经典对应关系,得到量子Fisher信息可以刻画量子混沌的结论. 关键词： 量子Fisher信息 玻色-爱因斯坦凝聚 量子混沌 量子-经典对应     

量子计算机理论中的量子叠加和量子纠缠

讨论了量子计算、量子通讯与量子计算机中的核心问题 量子叠加和量子纠缠. 从量子态表示量子信息为出发点, 指出有关量子信息的所有问题都可采用量子力学理论来处理. 其中信息的演变遵从薛定谔方程, 信息的传输就是量子态在量子通道中的传送, 信息处理就是量子态的幺正变换, 信息提取则是对量子系统实行量子测量.