光學(xué)量子糾纏態(tài)操縱、探測(cè)及應(yīng)用.pdf

1、量子信息學(xué)作為一門新興的并迅速發(fā)展的學(xué)科，將信息學(xué)和量子力學(xué)成功的結(jié)合起來，利用微觀粒子的量子力學(xué)原理來解決經(jīng)典信息學(xué)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能解決的問題。由于其潛在的應(yīng)用價(jià)值和重大的科學(xué)意義，量子信息學(xué)作為最近十幾年來迅速發(fā)展起來的新興學(xué)科，正在越來越多引起各方面的關(guān)注。 而糾纏在量子信息學(xué)中扮演著極為重要的角色并且在量子信息理論的運(yùn)用中其核心作用，例如量子密碼，量子通信，量子計(jì)算。糾纏也是量子信息論區(qū)別于經(jīng)典信息論的重要特征之一。糾

2、纏如此重要，那么如何從理論及實(shí)驗(yàn)上上定義糾纏，度量糾纏，和探測(cè)糾纏就構(gòu)成了量子信息論的最基本的內(nèi)容，也是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 本博士論文著手于量子信息過程中量子態(tài)及量子演化過程的描述以及糾纏的描述、探測(cè)、度量及其操作，具有以下幾個(gè)主要內(nèi)容： 1.糾纏操控 量子體系不可避免的會(huì)和外界環(huán)境相耦合，導(dǎo)致消相干，實(shí)際上應(yīng)用的量子態(tài)一般是非最大糾纏態(tài)，或者混態(tài)，或者兩者兼有。為了更好的把糾纏應(yīng)用于量子信息處理等過程，就

3、需要我們對(duì)實(shí)際中的糾纏源進(jìn)行操縱，提純，使其達(dá)到我們的需求。 總體來說，有兩種糾纏蒸餾或純化的協(xié)議：一種是對(duì)單個(gè)拷貝進(jìn)行操作，這種協(xié)議被歸類為過濾協(xié)議(Filtering Protocols)，我們從實(shí)驗(yàn)上首次驗(yàn)證了針對(duì)兩量子比特混態(tài)的最佳過濾協(xié)議并證明了通過過濾操作能夠有效的增加系統(tǒng)的糾纏度；另一種是對(duì)多分拷貝進(jìn)行操作，如每步同時(shí)對(duì)兩份拷貝進(jìn)行操作的循環(huán)協(xié)議(Recurrence Protocols)。 糾纏純化不僅具

4、有理論上的意義，還有很重要的實(shí)用價(jià)值，可以建立無條件的密鑰分配協(xié)議，構(gòu)建量子中繼器，提高量子計(jì)算中的錯(cuò)誤閾值等等。 2.糾纏探測(cè)和度量糾纏探測(cè)和度量是量子信息中的一個(gè)核心的問題。結(jié)合我們的工作介紹了實(shí)驗(yàn)上常用的糾纏探測(cè)和度量的方法，如糾纏見證算符的局域分解，利用光學(xué)干涉儀來直接實(shí)現(xiàn)糾纏見證算符的測(cè)量，利用不確定關(guān)系不等式來探測(cè)和度量糾纏，以及雙份拷貝向反對(duì)稱子空間的投影等等，這些方法結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境能夠有效的減少測(cè)量次數(shù)，更直

5、接的對(duì)系統(tǒng)的信息做出判斷和估計(jì)，在應(yīng)用方面具有重要的意義。我們不僅討論了分離變量的糾纏探測(cè)和度量，還研究了一類特殊的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程中連續(xù)變化橫向動(dòng)量間的糾纏，這其中涉及的更多的是泵浦光和參量光的頻率譜信息和空間分布信息，這對(duì)操控參量光的空間分布和頻率關(guān)聯(lián)類型有重要的影響。 3.糾纏在動(dòng)力學(xué)中應(yīng)用糾纏在描述系統(tǒng)量子狀態(tài)及其動(dòng)力學(xué)演變過程中也有重要的應(yīng)用，這也是系統(tǒng)量子特性之一。我們介紹了描述系統(tǒng)演變的理論方法，一種是通過對(duì)系統(tǒng)