基于光學(xué)系統(tǒng)的量子邏輯門和量子密集編碼.pdf

1、量子理論和相對(duì)論是在二十世紀(jì)初被人們建立起來(lái)的，它最初被建立的目的是解釋一些物理現(xiàn)象或難題，例如黑體光譜、原子和原子核結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)等，而量子信息是量子理論中的一個(gè)分支。量子信息學(xué)的神秘面紗已逐步的被研究者們揭開，從學(xué)科專業(yè)上講它是量子力學(xué)和信息科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。量子力學(xué)理論自誕生之日起，已經(jīng)被大范圍的應(yīng)用于諸如信息學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。量子信息，物理學(xué)認(rèn)為它主要包括量子計(jì)算和量子通信這兩個(gè)領(lǐng)域:量子通信的研究范圍有量子密

2、碼(quantum cryptography)、量子隱形傳態(tài)(quantum teleportation)、遠(yuǎn)距離量子通信的技術(shù)等;而量子計(jì)算的主要研究范疇是研究量子計(jì)算機(jī)和適合量子計(jì)算機(jī)且普遍通用的量子算法。量子計(jì)算機(jī)、量子態(tài)的傳輸和quantum cryptography是量子信息學(xué)中最值得人類為之驕傲的思想，并且它們已經(jīng)逐漸地從這個(gè)新的領(lǐng)域中脫穎而出。
　　量子通信的實(shí)現(xiàn)和量子計(jì)算的完成除了要具備必要的糾纏源之外，還需要信息

3、的運(yùn)送載體，即實(shí)驗(yàn)上可行的量子信息處理器，一般表現(xiàn)為各種微觀領(lǐng)域的物理系統(tǒng)。量子比特(qubit)是量子信息單位的基礎(chǔ)，它可以攜帶著各種量子信息并且它允許被施加各種量子操縱以完成計(jì)算和信息傳遞。量子信息學(xué)中的一個(gè)重要課題就是去尋找實(shí)驗(yàn)可行的微觀物理系統(tǒng)，以及實(shí)驗(yàn)可行性和成功可能性都相對(duì)較高的實(shí)驗(yàn)方案。目前，常用的處理器有:光學(xué)系統(tǒng)、光腔QED系統(tǒng)、核磁共振(NMR)系統(tǒng)等。我們知道高傳輸速度、低噪音是光子最凸顯的特性，而光學(xué)系統(tǒng)具有容易

4、制備和操控、易于傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，因此光學(xué)系統(tǒng)被普遍認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子態(tài)傳輸?shù)淖顑?yōu)系統(tǒng)之一。光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)展速度也相對(duì)較快，因此課題“光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合非線性材質(zhì)實(shí)現(xiàn)量子信息的處理”具有較高的研究?jī)r(jià)值。
　　本文主要討論如何在光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多粒子量子邏輯門;在弱的非線性克爾介質(zhì)（weak nonlinear cross-Kerr medium簡(jiǎn)稱WNCK）輔助下在腔QED系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)量子密集編碼(dense coding)。取得的主要成果如下

5、:
　　1.在光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多粒子量子邏輯門
　　我們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)兩粒子controlled-NOT(CNOT)門的實(shí)現(xiàn)方案，在這個(gè)門的基礎(chǔ)上借助線性光學(xué)元件，弱的非線性交叉克爾效應(yīng)和量子非破壞性測(cè)量技術(shù)（QND探測(cè)）實(shí)現(xiàn)了optical Toffoli gate。該方案具有較高的成功概率。本方案的巧妙之處是我們把兩種量子非破壞性測(cè)量（QND探測(cè)）結(jié)合起來(lái)，使方案設(shè)計(jì)思路相對(duì)簡(jiǎn)單，再加上設(shè)計(jì)過程中采用了QND探測(cè)和經(jīng)典反饋

6、操作相結(jié)合的思想，從而大大減少了WNCK及QND探測(cè)器的個(gè)數(shù)，這樣不但節(jié)約了資源而且降低了由于系統(tǒng)對(duì)光子的散射和吸收而引起的消相干現(xiàn)象，因而該方案具有較高的成功概率和較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)可行性。
　　2.在cross-Kerr media-腔QED系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)密集編碼
　　GHZ態(tài)的制備:利用相干光場(chǎng)與WNCK相互作用的基理，同時(shí)借助施加在探測(cè)模式上的零拍測(cè)量技術(shù)，我們只需控制時(shí)間參量便可以制備出三光子GHZ態(tài)，并且這個(gè)方案可以推廣到N

7、光子的GHZ態(tài)。與之前的方案相比較，我們的方案操佳更簡(jiǎn)單、效率更高、實(shí)驗(yàn)上器件要求相對(duì)基礎(chǔ)。
　　密集編碼的實(shí)現(xiàn):假設(shè)dense coding的兩個(gè)主體Alice，Bob共同擁有三粒子糾纏GHZ態(tài)，且Alice擁有A，B兩個(gè)粒子，Bob擁有C粒子。Alice對(duì)她的兩個(gè)粒子都實(shí)施I，σx，iσy,σz中的一種操作，使得三個(gè)粒子可能處在八種量子態(tài)中的一種?，F(xiàn)在Alice把A，B粒子傳送給Bob，Bob擁有三個(gè)粒。Bob想要獲得信息就要

8、對(duì)自己現(xiàn)在擁有的粒子進(jìn)行一系列的局域性操作。Bob首先要對(duì)原子A和C粒子所對(duì)應(yīng)的相干態(tài)實(shí)施非破壞性探測(cè);第二步是對(duì)原子A進(jìn)行Hadamardgate操作以及計(jì)算基底探測(cè);最后對(duì)原子B和原子C所相應(yīng)相干態(tài)上實(shí)施非破壞性測(cè)量操作以及Hadamard gate操作。完成三步操作后Bob分辨出最初接收到A,B粒子時(shí)三粒子系統(tǒng)所處的態(tài),從而實(shí)現(xiàn)了dense coding。在文章后面的內(nèi)容里我們也把對(duì)兩個(gè)粒子的編碼方案推廣到對(duì)多個(gè)粒子的編碼方案，并