多种形式的原子纠缠态的制备

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利用腔的输入输出过程制备多原子纠缠态

摘
要：文提出一些制备多原子纠缠态的物理方案，些方案是依靠辅助腔和单光子脉冲相互作用来完成的．论这即
使原子不在Ｌｍｂ— ｉｅ体系中，ａＤｅｋ通过此方案产生的纠缠态仍具有很高的保真度．实验的观点来看，少的操作数目从较
ＰＡＮＧｕ —ｈ，ＹＡＮＧｎｈｏｚｕＭｉｎ。ＧａｇＺｈｏｌａｇ＇
（．ｃｏｌｆｈｓｓｎａｒｌｃｎｅＡｈｉｎｖｒｔ，ｅｉ２０３，ｈｎ；１ＳｈｏｏＰｙｉｄＭｔｉｉｃ，ｎｕＵｉｓｙＨｆ３０９ＣｉａｃａｅａＳｅｅｉｅ
ｒｇｍｅＦｒｍｈｘｅｉｎａｏｎｆｖｅ，ｆｗｅｐｒｔｏｕｍｂｒｎｓｍｐｅｓｔｐｋｅｈｅｉ．ｏｔｅｅｐｒｍｅｔｌｐｉｔｏｉｗｅｒｏｅａｉｎｎｅｓａｄｉｌｅｕｅｐｔｅ
２．ｓｃＥｘｅｉｎｎｔｒＢａｉｐｒｍｅｔＣｅｅ，ＷｅｔＡｎｉＵｎｉｅｓｔｓｈｕｖｒｉｙ，Ｌｕａ２７２，Ｃｈｉａ； ’ｎ３０１ｎ
３ＤｐｒｅｔｆｈｓｓｎｌｔｎｎｉｅｒｇＨｆｉｏｌｎｖｒｉ，ｅｉ２０６，ｈｎ）．ｅａｍｎｏＰｙｉｄＥｅｒｉＥｇｅｎ，ｅｒｉｓｙＨｆ３０１ＣｉｔｃａｃｏｃｎｉｅＮｍａＵｅｔｅａ
ｓｈｍｅａｙｔｅｉｌｍｅｔｄｃｅｓｅｓｏｂｍｐｅｎｅ．

基于腔QED的多粒子W态制备

基于腔QED的多粒子W态制备【摘要】研究了处于W类态的三纠缠原子与相干态光场相互作用过程中光场的量子特性；运用数值方法，讨论了三纠缠原子初始状态和相干态光场的强弱对系统光场压缩和二阶相干特性的影响。

提出了一个基于腔QED 技术的制备三原子最大W态的一般方案。

通过讨论表明三个原子不论是被同时注入腔中还是在不同的时刻被注入腔中我们都能得到三原子最大W态。

该方案可以在当前的技术范围内实现并且可以推广到制备n个原子的W态。

【关键词】W态J-C模型多原子量子纠缠现象首先是被Einstein.Podolsky.Rosen等人注意到的量子力学特有的现象，已广泛应用与量子信息领域，如量子隐形传送，量子密钥共享，量子安全直接通讯，量子纠错和量子密钥分配等等，制备纠缠态已经成为人们研究的中心课题一直[1-3]。

由于退相干和当前技术的限制，成功制备多比特纠缠态仍然存在很大挑战。

今年来已经有很多关于二体和多体纠缠态的理论和实验的报道，如制备两比特的EPR态，三比特和n比特的Greenberger-Home.Zeilinger（GHZ）态和W态等[4-7]。

特别是W态有它自身的优势，如当三个纠缠比特中的任意一个被追踪到的时候，剩余的两个比特仍然处于纠缠态，因此许多关于W态制备的方案被不断提出。

在1999年，Song等人首先提出了利用腔QED来制备W态的方案，郭光灿等人后来也提出了由腔量子电动力学的方式产生W态。

郑矢标等人提出了多原子W态的制备方案存在可能性。

本文把多原子样品看做是目标不大的目标原子，通过控制原子，实现多原子W态的制备。

1 理论模型在此我们引入Dicks态我们提出了一种有效产生N粒子W态的实验方案.通过控制原子使含有粒子的目标原子制备W态。

并通过仿真发现，该方案制备W态的纠缠度可达到0.9，如图1所示。

参考文献：[1]陈美香，李洪才.利用非Bell基测量实现两粒子纠缠态的隐形传输[J].量子光学学报，2006，01：40.[2]熊狂炜.利用Raman相互作用传送两比特的未知原子态[J].量子光学学报，2006，12：139.[3]陈美香，李洪才，黄志平，等.利用非Bell基测量实现三粒子W态的隐形传送[J].量子电子学报，2006，23：393.[4]PHENIX S J D，BARNETT S M. Non - local interatomic correlations in the micromaser [J].J Mod Opt，1993，40（6）：979 - 983.[5]GERRY C C.Preparation of multiatom entangled states through dispersive atom - cavity - field interaction [J].Phys Rev，1996，A53：2857 - 2860.[6]宋克慧.利用原子—腔场的Raman 相互作用制备多种形式的原子纠缠态[J].物理学报，2000，49：441-444.[7]YANG Xiong ，XIANG Shao - hua，SONG Ke hui. Preparation of Three - atom Entangled W State Via Two - photon Jaynes - Cummings Model[J].量子光学学报，2002，166：169.。

量子纠缠态制备

量子纠缠态制备量子纠缠态制备是量子信息科学中至关重要的一个环节，它是实现量子计算、量子通信和量子纠错等技术的基础。

具体来说，量子纠缠是一种特殊的量子态，其中多个量子系统之间的状态紧密依赖，当一个系统发生测量时，对其他系统的状态会产生瞬间的影响。

这种非经典的关联性在经典物理中是无法解释的，只能通过量子理论来描述。

下面将从理论和实验两个方面介绍量子纠缠态制备的相关内容。

首先，理论上的量子纠缠态制备主要依赖于量子比特之间的相互作用和控制。

其中，量子比特是量子计算的基本单元，可以是原子、离子、光子或者固态系统中的自旋等。

通过对量子比特之间的相互作用进行调控，可以实现它们之间的量子纠缠。

最常见的量子纠缠态是纠缠对，即两个量子比特之间的纠缠态。

纠缠对可以通过将两个量子比特置于特定的叠加态并进行相互作用得到。

例如，可以通过应用Hadamard门将两个处于基态的量子比特变换为处于叠加态的叠加态，并利用CNOT门将它们相互作用从而得到纠缠对。

除了纠缠对，还可以通过其他方式制备更复杂的量子纠缠态。

例如，可以利用量子纠缠的可逆性，在制备纠缠对的基础上进行状态转换和操作，从而得到更高阶的纠缠态，如三重纠缠态和N重纠缠态等。

此外，还可以通过量子纠缠的统计性质来实现非局域操作。

例如，可以利用量子纠缠的非局域特性实现量子隐形传态和量子远程控制等应用。

其次，实验上的量子纠缠态制备是实现量子纠缠的关键。

在实验室中，可以利用各种物理系统来实现量子纠缠态制备，例如超导量子电路、离子阱、光学系统等。

具体的实验步骤包括：首先，需要准备一个纠缠源，即能够产生纠缠态的系统。

例如，在超导量子电路中，可以利用超导量子比特之间的相互作用来制备纠缠对；在离子阱中，可以利用激光冷却技术将离子束固定在一个阱中，并通过激光控制离子之间的相互作用来制备纠缠态。

其次，需要设计和实施一系列的量子操作，例如单比特旋转、叠加和相位门等，以控制和操作量子系统。

最后，通过对量子系统的测量和观察，验证量子纠缠态的制备结果。

量子纠缠态制备

量子纠缠态制备
【原创版】
目录
1.量子纠缠态的概念及其在量子信息领域的重要性
2.量子纠缠态的制备方法
3.量子纠缠态在前沿领域的应用
4.结论：量子纠缠态制备的重要性和前景
正文
量子纠缠态制备在量子信息领域中具有重要意义，它在诸如量子隐形传态、量子密钥分发、量子安全直接通信等前沿领域发挥着关键作用。

量子纠缠态是指两个或多个粒子之间在某些物理属性上存在的强相关性，这种相关性超越了经典物理学的范畴。

目前，制备量子纠缠态的方法有很多，如光子纠缠态、正负电子纠缠态等。

其中，正负电子纠缠态是一种常见的纠缠模型。

这种纠缠态可以通过将正负电子对经过集成电路中的空穴穴位来实现。

此外，还有其他制备量子纠缠态的方法，如利用冷原子系综和光晶格等。

量子纠缠态在许多前沿领域都有广泛的应用。

在量子通信领域，量子纠缠态可以用于实现量子密钥分发，从而保证通信的安全性。

在量子计算领域，量子纠缠态可以用于实现量子算法，如量子隐形传态和量子搜索算法等。

此外，量子纠缠态还在量子传感、量子成像等领域发挥着重要作用。

总之，量子纠缠态制备在量子信息领域具有重要地位，其在前沿领域的应用也日益广泛。

随着量子科学技术的快速发展，量子纠缠态制备的重要性和前景将更加明显。

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制备两个三能级原子最大纠缠态的腔QED方案

统对腔的耗散和热辐射都不敏感．目前，已经提出了通过经典场作用使原子１于态ｌ一口ｇ处厂＞ｌ＞．大量的基于腔ＱＥ技术制备纠缠态的方案．ｉｃＤＣｒａ然后，仃将原子１和原子２同时送进一个真我］和Ｚｌｒ”提出了一个制备两原子最大纠缠态的方空腔，子与腔场的有效作用Ｈａｈｎａｏｌ一ｅ一原ｍｉｏｉｎ为［１。案．ｏａＢｇｒ和Ｂｒｏ［］出了一个利用两个微波腔ｅｇｕ１提。
个原子被先后送入一个单模共振腔，子和腔场通过Ｊｙｅ— ｕ原ａｎｓＣｍｍｉｇｍｉｏｉｎ发生共振相互作用．们的方案ｎｓＨａｌｎａｔ我基于前腔ＱＤ技术有可能在实验上实现．Ｅ关键词：子纠缠；振；ＱＥ量共腔Ｄ中囹分类号：１．Ｏ４３３文献标识码：Ａ文章编号：０４４２（０７０ —０６０１０ —３９２０）４０２ —２
１基于腔ＱＥＤ技术制备最大纠缠态
考虑原子为全同的三能级原子，个能级分别三表示为ｌ＞ｌ）ｌ＞能级ｌ＞｝＞和ｌ＞ｌ＞厂，ｇ和ｅ，一ｇＰ厂一ｇ的跃迁频率分别为５．Ｇ１１Ｈｚ和５。Ｈｚｌ‘ ４３Ｇ。／＞在
Ｈ＝００９＋口＋山Ｓ：ｏ＋ｉ（Ｓ＋一ａＪａ￣＋Ｓ一）一
ｚ＋Ｈｏ＋Ｈ，（）１

对单原子的局域操作实现原子纠缠态的纯化

ＥＲＰ对
图１纯化二粒子纠缠态的原理
为了从方程（）３获得最大纠缠态，ｌｅＡｉ处引进一个处在真空态１的腔场，１ｅｃ０）Ａｉ让原子１ｃ注人腔场，
系统将发生演化
（ｅｌ）ｂ：０￣ａｏｔ））ｉｎｔ。）＋ｉｇ））ａ，ｉ）））（ｓｌ１一ｓｇｇｌ）ｂ。ｌ＝ｌｅ＋ｇｌ】）ｇｃｇｅ０ｉ］）】１ｇ：ｏ（ｏｔｅ＋ｌｇ￣－ｓｇｇ２）ａｓｌ２ｂｌ））ｉｉｔ１）ｃｇｅ）ｇ２ＯａｎｌＩｌ１
第３卷第２Ｏ期
２１年３月００
高师理科学刊
ＪｕｎｌｏｃｅｃｆＴａｈｒＣｌｅｅａｄｏｒａｆＳｉｎｅｏｅｃｅｓｏｌｇｎＵｎｖｒｉｉｅｓｔｙ
Ｖ０＿０Ｎｏ２ｌ３．
其中：ｔ为原子与腔场的相互作用时间，可以通过调节原子的速度，ｔ使满足
（）４
（）５
ｇ＝ｒｏｂｌｔａｃｓｌＩｃｌａ／Ａｉ探测腔场，ｌｅｃ假如腔场被测到处于１态，０）原子１被纯化为最大纠缠态，２
Ｉ）ｇ）去《＋）ＩＩｇ
２三原子ＧＺ的纯化Ｈ态
部分纠缠的情况．计算结果表明，对不同原子数的部分纠缠态，纯化的概率都为２．该方案的主要优点是只需引入一个辅助腔场，然后进行局域操作就能实现原子的纠缠纯化，这在实验上是简单可行的．关键词：纠缠纯化；原子纠缠态；腔ＱＤ；Ｅ中图分类号：０３．４１文献标识码：Ａ２ｄｉ０３６／ｉｎ１０－８１０００．１ｏ：１．９ｊｓ．７９３．１．０８９．ｓ０２２量子信息是信息科学与量子力学相结合的新兴交叉学科．近年来，量子信息无论是在理论方面还是在实验方面都取得了令人瞩目的成就．在量子信息中，纠缠态扮演着至关重要的角色．它被广泛应用在量子隐形传送、量子密集编码忙、量子密钥分配ｐ等方面．在实际的量子通信中，最大纠缠态被作为量子通道，这就需要从大量低纠缠度的量子态中提取尽可能高纠缠度的量子态，即纠缠纯化．纠缠纯化的基本思想是：发送者Ａｉ首先局域制备一对ＥＲ，ｌｅｃＰ对然后把ＥＲ中的一个粒子发送给接收者Ｂｂ另一个留给自己．在Ｐ对ｏ，发送粒子过程中，环境的耗散作用不可避免，当粒子到达Ｂｂｏ处时，ｌｅｏ所共享的往往是处于部分纠Ａｉ和Ｂｂｃ缠的粒子对．这时Ａｉ通过局域操作使他们共享的粒子对从非最大纠缠态纯化为最大纠缠态．近年来，越ｌｅｃ来越多的纯化方案被人们提出．文献［通过在Ａｉ处引进一个腔场和一个辅助粒子，Ａｉ同时发送手中的２６】ｌｅｃｌｅｃ个粒子通过腔场并与之相互作用，最终使原子态从非最大纠缠态纯化为最大纠缠态．该方案的缺点是实验中无法保证２个粒子能同时进入腔场．另外，粒子飞出腔场时，当２在区分２个粒子上有一定困难．在本文中，ｌｅＡｉ只需引入一个腔场，ｃＡｉ发送粒子通过腔场，当粒子飞出腔场时，Ａｉ￣测腔场，原子态从非最大纠缠态纯化为最大纠缠态．ｌｅｃｌｅｃ

量子纠缠态制备

量子纠缠态制备介绍量子纠缠是量子力学中的一种特殊现象，它描述了两个或多个量子系统之间的非常强烈的关联性。

量子纠缠态制备是指通过一系列操作，使两个或多个量子系统处于纠缠态的过程。

本文将详细探讨量子纠缠态制备的原理、方法和应用。

量子纠缠的原理量子纠缠是基于量子力学的原理，其中最著名的是贝尔不等式和EPR纠缠态。

贝尔不等式揭示了量子力学中的非局域性，即两个纠缠粒子之间的相互作用可以瞬间传递信息。

EPR纠缠态则描述了两个粒子之间的量子态是如何相互依赖的，即一个粒子的状态的测量结果会直接影响另一个粒子的状态。

量子纠缠态的制备方法量子纠缠态的制备是实现量子信息处理和量子通信的关键步骤。

目前常用的制备方法主要有以下几种：1. 超导量子电路超导量子电路是一种基于超导体材料的量子系统，可以用来制备和操控量子纠缠态。

通过精确的控制超导量子比特之间的相互作用，可以实现高质量的量子纠缠态制备。

2. 光子纠缠光子纠缠是通过非线性光学效应实现的，其中最常用的方法是通过光子对的自发参量下转换实现。

这种方法可以在实验室中制备高纯度和高保真度的光子纠缠态。

3. 自旋纠缠自旋纠缠是通过精确控制自旋之间的相互作用实现的。

当两个自旋之间存在耦合时，可以通过调节外部磁场或微波脉冲来制备自旋纠缠态。

4. 原子纠缠原子纠缠是通过精确操控原子之间的相互作用实现的。

可以利用原子之间的相互作用或者通过激光冷却和捕获技术将原子束缚在光学陷阱中，然后通过精确的激光操作来制备原子纠缠态。

量子纠缠态的应用量子纠缠态在量子计算、量子通信和量子模拟等领域有着广泛的应用。

1. 量子计算量子计算是利用量子纠缠态来进行计算的一种新型计算方式。

量子纠缠态可以用来构建量子比特之间的量子门，实现量子计算中的并行计算和量子并行搜索等算法。

2. 量子通信量子纠缠态可以用来实现量子通信中的量子密钥分发和量子远程纠缠等任务。

通过量子纠缠态的传输，可以实现更加安全和高效的通信方式。

六原子纠缠态的制备

ｓｘｉｅ６ｃ［ｔｉｄｎａｗｏ— ｌｖ１ａｏ￣ｅｅｔｗｓ．ｗｈｃ … ｉｈａ
ｌｉｉｉｌｎｔｉｇ０ｎｔ骼。＆ｅｓｎｈｏｇｈｔｅ阻ｖｌｌｎｔｙｉｈｅｒｔｕｄｓａｔａｌｒｅｔｔｒｕｈＩｙ驰ｑｅａ１ｎｕｎｄ［ａｄ… ｙ
维普资讯
第２期
２００２年４月
娄底师专学报
ＪｕｎｌｆＬｏｄａｈｒｌｇｏｒａｕｉＴｅｃｅｓＣｏｌｅｏｅ
Ｎｏ．２
Ａｐ．，０ｒ２０２
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三一
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原子纠缠态的制备
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Ｌ儿，Ｚｏｇ—ｉｇｎｌａｎ
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ＡｂｔａｔＡ￣ｅｏｐｅａｉｇｓｘ— ａｏｅｔｎｌｄｓａｅｓｐｒｓｎｔｄ．Ｉｉａｅｎａｏ — ｃｖｔｆｅｄｉｔｒｃｉｎＦｉｓｌｓｒｃ：ｓｈｍｅｆｐｒｎｉｒｔｍｎａｇｅｔｓｉｅｅｅｇｔｓｂｓｄｏｔｍａｉｙｉｌｎｅａｔｏｓｒｔｙ

量子纠缠态的制备

量子纠缠态的制备Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】量子纠缠态的制备摘要：量子纠缠是量子信息中最重要、也最为神奇的一个课题.量子纠缠是一种有用的信息“资源”，在量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配以及在量子计算的加速、量子纠错、防错等方面都起着关键作用.在量子信息中，信息的处理离不开量子态及其演化.而量子纠缠态毫无疑问是各种量子态中最为重要的一种.它可用于检验量子力学的基本原理，而且也是实现量子通信的重要信道.所以，纠缠态的制备和操作就显得尤为重要，文章简要介绍量子纠缠态的定义、量子纠缠态的度量及分类、量子纠缠态的制备，并介绍纠缠态的一些应用.关键字：量子纠缠;腔QED;离子阱;生成纠缠；蒸馏纠缠Quantum Pestering Condition PreparationAbstract: The quantum entanglement is one of the most important subject, and also the supernatural part of quantum information science. As an important quantum resource, the entangled states are playing the key role in many sorts of quantum informationp r o c e s s,f o r e x a m p l e,q u a n t u m t e l e p o r t a t i o n,q u a n t u m d e n s e coding, and quantum key dist- ribution as well as quantum computation acceleration, the quantum correct-error, guard-errora n d s o o n.I n q u a n t u m i n f o r m a t i o n s c i e n c e,i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g c a n n o t l e a v e t h e q u a n t u m s t a t e a n d i t’s t h e e v-olution. But quantum entanglement condition is without a doubt in each kind of quantum state the most important one kind. It may use in examining the quantum mechanics the basic principle, m o r e o v e r a l s o r e a l i z e s t h e q u a n t u m c o r r e s p o n d e n c e i m p o r t a nt channel. Therefore, the pestering condition preparation and the o p e r a t i o n a p p e a r s e s p e c i a l l y i m p o r t a n t l y,a r t i c l e b r i e f introduction quantum entanglement condition definition, quantum e n t a n g l e m e n t c o n d i t i o n m e a s u r e a n d c l a s s i f i e d,q u a n t u m e n t a n g l e m e n t c o n d i t i o n p r e p a r a t i o n,a n d i n t r o d u c t i o n e n t a n g l e m e n t c o n d i t i o n s o m e a p p l i c a t i o n s. Key word: Quantum entanglement; Cavity QED; Ion trap；Formation of entanglement；Disillation of entanglement毕业论文题目：量子纠缠态的制备系别: 物理与电子工程系学科专业: 物理学姓名: 许军霞指导教师: 苏晓琴运城学院2006 年 06 月学士学位论文系别：物理与电子工程系学科专业：物理学姓名：许军霞运城学院2006 年 06 月目录1引言 (1)2量子纠缠 (1)量子纠缠态的定义 (2)量子纠缠态的度量和分类 (3)3纠缠态的制备 (5)在自发参量体系下制备纠缠态 (6)3.1.1制备双光子纠缠态 (6)3.1.2制备三光子纠缠态 (7)在QED中制备纠缠态 (9)3.2.1双原子纠缠态的制备 (9)3.2.2三原子纠缠态的制备 (10)离子阱中制备纠缠态 (10)4纠缠态的应用 (11)5结束 (13)致谢 (14)参考文献 (14)1 引言在量子信息中，信息的处理离不开量子态及其演化.而量子纠缠毫无疑问是各种量子态中最为重要的一种. 纠缠态做为一种重要的“量子资源”，近年来随着量子信息学的蓬勃发展得到了广泛的应用.诸如成功的应用于量子密钥分配，量子密集编码，量子隐行传态，量子纠缠码，量子计算领域.由于多子系统纠缠态具备很多两个子系统所不具备的性质，而且，随着日益发展的实验技术，使得对于量子纠缠态的制备更为深化.这不仅关系着量子纠缠本质的问题，还有助于人们对量子力学基础理论的理解.更能开发出许多神奇的应用.量子纠缠是量子信息学中最重要也是最为奇特的一个课题.在量子信息学中，量子纠缠在量子信息学的两大领域---量子通信和量子计算中都有着广泛的应用.要实现量子计算首先就要实现两比特逻辑门，通常是受控非门(CNOT)，这种逻辑门事实上就是将两个量子比特纠缠起来的过程.除此之外，量子纠错码方案通常也要使用量子纠缠态.在量子通信中，使得纠缠态具有重要意义的主要是量子隐形传态技术.甚至有人认为在某种意义上可以将量子通信等价于异地纠缠态的建立，操纵和测量.另一方面，为了检验局域隐变量理论，人们对制备和操纵纠缠态产生了浓厚的兴趣.两个两态粒子能够实现 Einstein, Podolsky和Rosen (EPR)对，并且通过违背Bell不等式，从而否定了局域隐变量原理.近年来，Geenberger等人制备了三或更多粒子纠缠态，即（GHZ）态，这种纠缠态给出了一种新的局域隐变量原理与量子理论矛盾，它不需要违背Bell不等式，就可以对局域隐变量进行检验.正因为它有这种特性，最近，Cirac等人，Haroche,Gerry以及zheng 等人分别通过腔QED制备了GHZ态.2004年2月德国Bourennane等人成功制备了偏振光子三个和四个量子比特纠缠[]1.同年，我国科技大学潘建伟教授首次制备了5光子纠缠态，标志着我国对粒子纠缠领域已经超过了美国，英国，奥地利等发达国家，达到了国际领先水平.本文将介绍量子纠缠态的定义、量子纠缠态的度量及分类、量子纠缠态的制备，并介绍纠缠态的一些应用及发展概况.2 量子纠缠量子纠缠态的定义近些年来，随着量子信息这一新兴领域的蓬勃发展，量子纠缠逐渐成为人们的热门话题.但是它并不是什么新鲜事物.“纠缠”一词的出现可追朔到量子力学诞生之初.从量子力学诞生之日起，围绕量子力学中对其基本原理的诠释和对其基本概念的理解的争论就从未间断过.争论发生在以爱因斯坦为代表的经典物理学家和以玻尔为代表的哥本哈根学派之间，争论的核心实质上是涉及“纠缠态”以其展现出的非局域关联.最近20年来，由于实验技术的巨大进展，这些争论已不再停留在思辩阶段，而是可以依靠实验来验证，并由此引发了量子信息学的理论与实验的蓬勃发展.那么，怎样的量子态才算纠缠态呢中国科学院院士郭光灿打了一个形象的比喻: “就像一个母亲和她的女儿，分别居住在中国和美国.在美国的女儿怀孕了，当她生孩子的一瞬间，哪怕远隔千山万水，不用电话通知，远在中国的母亲就顺理成章地变成了外婆.” 即两个粒子无论分开多远，对其中一个粒子操纵或者作用，必将影响另一个粒子的态.”所谓纠缠态，是指复合系统的一种特殊的量子态，它在任何表象中，都无法写成两个子系量子态的直积形式.为了方便理解，考虑到由A 和B 两个子系统组成的二体系统（A 和B 均为纯态）.设A 的本征态矢为ψA ，B 的本征态矢为ψB ，若（A+B ）这个复合系统的本征态矢ψAB 不能表示成ψA 与ψB 的直积形式时，则称纯态ψAB 为一纠缠态.即: ψψψ⊗≠B A AB .[]2(1) 当考虑到混态情况时，可用密度矩阵来表示，即： ρρρB A AB ⊗≠(2)如果： ,1100B A B A AB βα+=ψ 122=+βa , (3)就是纯态情况下的一个纠缠态.下面我们以自旋分别为21的两粒子体系的最大纠缠态——Bell 基为例，来说明纠缠态的含义.对于两个两粒子的量子系统，存在如下四个量子态，即Bell 算符的本征态：()110021212112±=Φ±（4a ） ()011021212112±=ψ± (4b)假设我们有两个只有两个量子态的原子1和2，它们可以处在（4b ）式其中之一的叠加态，()011021211221-=ψ-,其中 1021表示原子1处于态0,原子2表示原子1处于态1,原子2处于0.当这两个原子处于叠加态处于态1.0121ψ±时，我们说这两个原子处于纠缠态，因为这是我们只知道一个原子处于0态，一个原子处于态1，然而，并不知道哪个原子处于态0，哪个原子处于态1.原子1有可能处于态0，也可能处于态1,同时原子2也有可能处于态0,也有可能处于态1.因此，这两个原子是纠缠在一起的.因为纠缠态的每一分量均由两个粒子的单态0和1构成，所以处于纠缠态10的两个粒子有一个奇妙的特性：一旦测量确定了其中第一个粒子的状态0，纠缠态对应的波函数便塌缩到它所相应的分量1，从而瞬间决定了另一个粒子状态1，这时即使两粒子间的空间距离很遥远（几米，几千米或几万米），人们原则上也能在瞬间由一个粒子的状态确定另一个粒子的状态.比如对处于态0的两原子系统，若对原子1进行测量，结果发现它处于0态，则马上知道1原子2处于1态.这就是被爱因斯坦称之为“遥远距离的地点间的幽灵般的相互作用量子纠缠态的度量和分类当两地分享了一定量的纠缠态的时候,纠缠的所有者们可以通过对纠缠态做局域操作并辅以经典通信的手段来行使量子通信、量子计算的功能,如量子隐形传态、量子密钥分配等等,这都是要以消耗两地共享的纠缠态为代价的.所以,在量子信息中,纠缠经常被看作是一个非局域的源.于是,如何对纠缠定量化就被提升到一个很重要的地位.当今,人们已广泛使用四个Bell态作为定量化两子系系统纠缠的标准,每个Bell态的纠缠度定义为1,也称为一个ebit(纠缠比特).所谓纠缠度,就是指所研究的纠缠态携带纠缠的量的多少. 纠缠度的提出为不同的纠缠态之间建立了可比关系.目前,对两子系复合系统中纯量子态的纠缠定量化工作已经完成.对于一个两子系的纯量子态ψAB ,它的纠缠度等于任一子系统约化密度矩阵的Von Neumann 熵()()ρB A S []3.即:()()ρρB A P S S E ==.子系(比如说A) Von Neumann 熵的求法是:先求出子系约化密度矩阵ρρAB B A Tr =的所有本征值{}p i ,则()P P i ii AB S log 2∑-=ρ.两子系复合系统的一个特征是它可以进行Schmidt 分解.比如说一个ｍ×ｎ维的复合系统,不妨令ｍ≤ｎ,则此系统中的任一纯态ψAB 可以写成：i i p B A m i i AB `1∑ψ==, 这里{}i A 与{}i B `分别为A 与B 子系ｍ维空间中的一组正交基.由此我们可以看出两个子系统的Von Neumann 熵是相等的.注意,也仅有两子系复合系统中的纯态才一定可以展成Schmidt 分解的形式,对多子系复合系统中的纯态Schmidt 分解不再必要,于是,单个子系的Von Neumann 熵也无法完全刻画多子系系统的纠缠.定量化纠缠的困难在于混和态纠缠度的定义.由于在混合纠缠态中,量子关联成分和经典关联成分杂糅在了一起.我们可以把经典关联看作是量子关联的“噪声”,“噪声”过大就会湮没量子关联成分. 美国科学家Bennett 等人提出了生成纠缠（formantion of entanglement ）和蒸馏纠缠（disillation ofentanglement []4的概念.生成纠缠()ρAB F E 定义为:通过局域操作和经典通信过程,为制备纠缠态ρAB 所消耗掉Bell 态的最小数目,即如果制备ρAB 的ｎ份拷贝需要k 个Bell 态,则生成纠缠()n k E n AB F minlim ∞→=ρ. 类似地,蒸馏纠缠()ρAB D E 定义为:通过局域操作和经典通信过程,可以从ρAB 中提取出的Bell 态的最大数目, 即,有ｎ份ρAB 的拷贝,可从中提取k `个Bell 态,则()n k E n AB D `maxlim ∞→=ρ. 生成纠缠和蒸馏纠缠的关系是:E E D F ≥,当考虑的态为两子系复合系统的纯态时,()()()()ρρρB A AB D AB F S E E ==.通常人们把通过局域操作和经典通信的手段,从部分纠缠态中提取最大纠缠态的过程叫做纠缠纯化（purification of entanglement ）.如果部分纠缠态为纯态,则称为纠缠浓缩.纠缠纯化所依据的思想是:在局域操作和经典通信的前提下,纠缠的期望值不能增加.这一结论隐含了不能通过局域手段从非纠缠态的系综中获得纠缠态,但这并不能排除利用局域操作和经典通信从一个部分纠缠态的系综中挑出一个子系综,使其拥有更大的平均纠缠.从E D 的定义可以看出, E D 的获取依赖于最佳的纠缠纯化方案.目前,人们尚未能找到通用的最佳纠缠纯化方案.所以,在绝大多数情况下,仅能给出E D 的上限.同样,对生成纠缠的研究也仍在继续,Wootters 给出了2×2系统纠缠态生成纠缠的解析求法,但如何求解更高维系统量子态的生成纠缠,迄今仍然是一个未解的难题.以上的两种纠缠度定义分别反映了混和态的两个不同的方面.尤其是蒸馏纠缠,联系着具体的纠缠纯化操作,是一个与量子信息的实际应用紧密相关的物理概念.在承认蒸馏纠缠是一种好的纠缠度定义的前提下,Horodecki 父子证明了任何一个满足ρAB 三组纠缠假定的纠缠度()ρE 必须满足：()()ρρE E F D E ≤≤.我们在上面已给出了纠缠态的定义,但这种定义是非常形式化的.一般情况下,当我们拿到一个具体的密度矩阵的时候,我们不知道它是否具有子系密度矩阵的直积形式的分解,也就是说,我们不知道它是纠缠的还是非纠缠(可分)的.最先研究这个问题并取得重要进展的是Peres,他给出了判别两子系系统的量子态为可分的必要条件.这个必要条件是这样陈述的:两子系系统可分量子态ρAB 的部分转置矩阵σAB 为半正定.这里σAB 与ρAB 矩阵元的关系为ρμρννσμσμμμn mv B A B A B A B A n m n m n m ,,===,此条件可以作为判别纠缠态的充分条件.即,如果我们发现一个密度矩阵的部分转置矩阵带有负的本征值,我们就可以判定这个量子态为纠缠态.人们将部分转置为负定的情形简记为NPT,相反,部分转置为半正定则记为等人证明了PPT是一个与不可蒸馏性紧密相关的概念.任何一个带有PPT特性的两子系复合系统的量子态,即使生成纠缠为零,但蒸馏纠缠为零,即我们无法通过局域操作和经典通信的手段从中提取Bell态.Horodecki 将这种态称为“束缚纠缠态”.这直接导致了纠缠态的分类,我们将束缚纠缠态以外的纠缠态统称为“可蒸馏的纠缠态”.最新的研究成果表明,即使是NPT的纠缠态也存在束缚纠缠态的情况.由于无法从束缚纠缠态中蒸馏出Bell态,所以束缚纠缠态不能胜任Bell态在量子通信中所扮演的角色.但束缚纠缠态的存在,揭示了自然界更为深刻的一面,即信息的不可逆过程,这很类似于热力学中的熵增加现象.近来,关于束缚纠缠态的研究被普遍开展.人们发现在束缚纠缠态中存在一种“纠缠激活”的有趣现象.即当两地分享某种可蒸馏的纠缠态的同时也分享一定量的束缚纠缠态,在这种情况下,束缚纠缠态可以起到一定的“抽运”作用,使可蒸馏纠缠态具有更强的隐形传态能力.另外,某些高维情况下的束缚纠缠态,其隐形传态的能力也高出了经典限制.3 纠缠态的制备量子纠缠态在量子隐行传态，量子密集编码，量子密码通信以及量子计算方面具有极其重要的地位，因此量子纠缠态的制备是量子信息领域中的关键问题.要把所以处于直积态的两个或更多的微观体系纠缠起来，需要有可控的相互作用．目前,在一些物理系统中实现了纠缠态的制备,例如:非线性光学系统[]5,腔量子电动力学(QED)系统[]6,离子阱系以及最近实现的原子集团的纠缠.目前,对于两粒子体系,最成功的是在非线性光学系统利用自发参量下转换实现的双光子纠缠.下面简单介绍一下自发参量下转换制备光子纠缠和腔QED 中制备原子纠缠的方案以及离子阱中制备纠缠态. 在自发参量下转换制备纠缠态自发参量下转换是晶体的非线性作用过程,非线性作用强度由非线性晶体的电化强度决定的:()()()()()()()()()+∑+∑+∑=ωωωωωωω322132121E E E E X E E X E X p l j k j ijkl k j ijk j ij i ·······其中,参量的转换由中间的二阶非线性作用产生 ,高阶项非常的小,可以忽略,此过程必须满足能量守恒定律,即:ωωωi s p +=, →→→+=k k k s i p(5)此(a)式也称为相位匹配条件.ωp ,ωs ,ωi 和→k p ,→k s ,→k i 分别表示泵浦光,信号光和休闲光的频率和波失.由于晶体的双折射导致不同的偏振光在晶体的折射率不同,以及晶体的色散作用可以使得在某些晶体中的位相匹配得以满足,可以选择适当的非线性晶体来实现自发参量下转换. 3.1.1制备双光子纠缠态我们利用连续波激光束泵浦非线性晶体的自发参量下转换过程制备出双光子偏振纠缠态．将一束浦光入射一非线性晶体BBO 上,就会产生一对纠缠的光子对.自发参量下转换是晶体的非线性作用过程,根据晶体的位相区配的类型,可将参量下转换分为I 型和II 型,下面分别介绍这两种类型的征.(以负单轴晶体为例).I 型参量下转换的过程可以表示为 o o e +→ ,也就是产生的双光子偏振相同且均垂直泵浦光的偏振方向.产生的参量光的空间分布以泵浦光为轴成锥状分布,如图(1)所示:图(1) I 型自发参量下转换这种类型产生的是在时间,空间和频率上纠缠的双光子态.II 性型参量转换[]7可表示为 o e e +→ ,即产生的双光子对偏振方向互相垂直.II 型参量下转换通常采用频率简并情况,这时,可产生偏振纠缠双光子对.如图(2)所示,图 (2) II 型参量下转换参量光在非线性匹配时的分布分为两个圆锥,图中上半圆为e 光,下半圆为o 光,其交叉的两点则可能是e 光或o 光.这样,在这两个方向上的一对光子就形成了偏振纠缠光子态.1999年Kwait 等人提出了一种新方法产生偏振纠缠光子对.他们采用I 型非共线相位匹配的BBO 晶体,粘合时,两块晶体的光轴置于互相垂直的两个平面内.当以一束偏振的浦光入射这个组合晶体时,就会产生一对偏振纠缠的光子对.这种方法一个很大的优点,就是方便的产生非最大纠缠态,只要改变浦光的偏振状态即可.[]8用这种方法制备纠缠态,其纠缠源亮度和纠缠度都接近于国际上同类研究的领先水平.此外，我们的纠缠源还具有参数可调谐的特点，即它不仅能产生常用的最大纠缠态，还能很方便的产生各种纠缠度的非最大纠缠态，其纠缠度是便于控制的，这为研究纠缠态的各种性质变化提供了有力、方便的工具.利用这种纠缠源，我们还制备了量子信息学中另一种重要的混合态纠缠态---Werner 态，采用的方案使得Werner 态中纠缠的成分是可控制的.Werner 态可直接用于纠缠纯化的实验研究，这对于量子通信从理论研究到实验研究甚至实用化研究都有重要的作用.3.1.2制备三光子纠缠态[]8一束泵浦光入射到一非线性晶体BBO 上,就会产生一对纠缠的光子对[]9.现在,如图C 所示,假设光源A 和B 入射晶体后,各产生一对纠缠光子对,即可表示为:()VV HH A212121+=Φ(6a)()VVHH B434321+=Φ(6b)图 (3) 制备三光子光路图图中A 和B 为产生纠缠光子对的两个光源. PBS 是偏振光束器它能是它能使水平偏振的光子通过,而反射垂直偏振光子,如图(4)所示（1）水平偏振光子入射（2）垂直偏振光子入射图 (4) 光子入射偏振光束分束器PBS 的示意图四个光子的态可以表示为:()()VVH HVV H H B A 43432121121++=Φ⊗Φ=ψ(7a)经过PBS1后,整个系统的态为 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++=ψH HVV VVHHVVVV H H H H 4321432143214321221 （7b ）让光子2经过4s 透射和-45 反射的偏振光束分束器PBS.当且仅当单光子探测器D T 1测到一个光子时,光子1,3和4将坍塌为如下纠缠态:()VVV H HH 431431321+=ψ（7c ）同样,当且仅当单光子探测器D T 2探测到一个光子时,光子1,3和4将坍塌如下纠缠态: ()VVVHHH41431421-=ψ(7d)因此,通过单光子探测器分辨是否探测到光子,就可以制备三光子纠缠态,即GHZ 态.在腔QED 中制备原子纠缠态 3.2.1制备双原子纠缠态一个双能级原子等同于一个自旋为21的一个粒子,而且对原子的探测效率可基本上达到 10000 ,此外,原子在空间上容易分开.因此,在腔量子电动力学中制备纠缠态是一个很有意义的课题.在腔QED 中，原子—光腔系统的量子态演化可以用Jaynes —Cummings 模型来描述.Phoenix 等人,Kudryavtseu 等人和Cirac 等人分别提出了制备两原子EPR 态.1997年巴黎高等师院课题组在实验上成功地制备EPR 态.采用的方法是将一个初始处于激发态e 的原子注入初始为真空的光腔,经过2π的Rabi 旋转,就得 ()1,0,211g e +=ψ （8a ）为了读出光场的状态,需要再有一个处于基态g 的原子进入光腔,经过一个位相π的Rabi 旋转,两个原子就处于下面的纠缠态:()eg ge ,,212-=ψ(8b)以上这些方法是在原子与光场发生共振相互作用情形下产生的.2000年Zheng 和Guo 提出了将两个双能级原子直接注入一个非共振腔场,用以制备双原子纠缠态的方案.此后巴黎高等师院的课题小组将此理论方案在实验上已经取得了成功.接着,这一理论又被推广到多个原子纠缠态的制备上[]10.3.2.2制备三原子纠缠态对于三原子纠缠态的制备,Cirace 等人提出了一种新方案,用以制备三个两能级原子的最大纠缠态: ()g g g e e e GHZ,,,,21±=ψ (9)在此方案中,一个单膜腔场首先被制备到如下的福克叠加态:()3021±=ψf (10) 然后,三个与腔膜共振的双能级原子被逐个的注入腔中.这些原子初始时都处于基态,对于每一个原子的速度做适当的选择,最后,三个原子将被制备到GHZ 态上,而腔膜则处于真空态.上述过程实际上是光场的相干性(量子信息)向原子转移的过程.Zheng 和Guo 提出了基于Raman 型的Jaynes —Cummings 模型制备三原子GHZ 态的方案. 与上述方法不同在于初始光场制备在0与1的叠加态．另外利用∧型三能级原子的两个低能级之间的纠缠,这样,这些原子的自发发射可以得到很好的抑制，因而，系统的相干性可以达到较好的保持．在实验上,2000年巴黎高等师院的课题小组制备了三原子GHZ 态.2002年Zheng 和Guo 提出了一种方案制备Ｗ态．在这个方案中，腔场和腔中的原子状态演化可以用Jaynes —Cummings 哈密顿量描述： ()ασσαωααωσ+-++-Ω-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=221 iH zeg []11（11）腔C 初始处于真空态0,第一个原子A1初始处于激发态e 1,将其注入腔中,相互用演化相位为⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=Ω32arcsin 221πt ,当A1从腔中飞出后,将初始处于基态g 2的原子A2注入腔中,令演化相为22π=Ωt .第三个原子A3初始处于基态g 3,在A2飞出腔后,A3进入腔中,演化相为π=Ωt 3.这是三原子为W 态,而腔场为真空态. 离子阱中制备纠缠态离子阱中的两离子纠缠态于1998年在美国Boulder 的NIST 的一个实验室里实现的.这一实验中,以椭圆Paul 阱中铍离子作为量子比特的载体,量子比特的状态为:,2,12122↓≡==m S S F F ↑≡==1,12212m S S F F . (12)通过离子在阱中的振动模式与两个能级的藕合,可以操纵两个两个离子的能级偶合起来.由于3,32232==→↓m S S F F .这一过程可以在σ+偏振的激光控制下完成.实验上可以以90%的探测效率区分单个离子的状态是处于↑还是↓.这一实验制备的并非标准的Bell 态,而是下面的态:()↑↓-↓↑=ΦΦψ5453e i e []12 (13)4 纠缠态的应用量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有的经典信息系统的极限，因而量子力学便首先在信息科学中得到应用，一门新的学科分支———量子信息学也应运而生.该学科是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学.量子信息学包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面，近年来在理论和实验上都取得了重大的突破.量子计算机量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置.当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机.量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究.研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题.在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列.与此类似,在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列.所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上, 而且还可以处于纠缠态上.这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质.与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果.因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算.量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算.除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的.迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机.但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想.如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了.研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机.量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处.量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题.。

基于相关联自发辐射激光来实现纠缠态的制备和提高

可容错的量子计算中也有着极为重要的作用．因此，何如提纯高品质的量子纠缠态是当今量子通信研究领域最重要的研究课题之一，并且取得了一定的进展．例如：利用压缩真空库中的非简并三能级激光；利用相关联自发辐射激光等；最近，ｊＬ【等在四波混频体系中利用原子的辅助能，级跃迁来增强参量下下转换过程（ＰＣ）ＮＤ从而实现了压缩和纠缠的提高；ａ ¨ Ｔｎ等考虑原子系综之间的偶极相互作用来提高压缩和纠缠的强度．本文利用双模相关联自发辐射激光来实现纠缠态的制
第６期
＝ｎ．
邓文武
基于相关联自发辐射激光来实现纠缠态的制备和提高
可分离的充要条件是矩阵要满足
９
（１ｌ口（ＩｇｆＩ）ｃｅｐｉ）一ｅｐｌｔｇ口）６＋２２口（Ｉ（Ａｔｘ（一３）Ｉｉｘ
ｆ）ｃ一ｅｐ／，）ｘ（ＡｔＩ）ｂ）＋ｃ口＜Ｉｘ（一ｔｅｐｉ）口（Ｉ且６（）２当与Ｉ）Ｄ的失谐量 △足够大，６一（Ｉ即△》、采厂，用绝热近似¨ 能级Ｉ）（ＩＩ）间的跃迁可有效地，６一口 — 之ｃ等效成Ｊ＞ｃ之间的单跃迁过程．６一（Ｉ此时系统在相互作用绘景中的有效哈密顿量为
缠态已在一些前沿领域中得到应用，特别是在量子信息方
理论模型如图１所示，将制备在Ｉ）ｃ态的三能级原子以

面．例如，量子计算和量子通信．以纠缠态为基本资源的量子信息在增大信息容量、提高运算速度及确保信息安全等方面大大地突破现有经典信息系统的极限，得基于量子使纠缠态为基本资源的量子信息学作为一门新兴的研究学科，显示出了十分广阔的科学和技术应用前景，已成为一门较为成熟的且具有实用价值的通信技术．正是由于量子纠

绝热技术制备纠缠态的研究

ｎ（）＞岛Ｉｘ（ｉｔ＋ｇｎ＞ｉＩｘ（ｉｔ＋Ｈ）Ｉ（ｅｐ－Ａ）（）Ｉ（ｐ－￣）ｉｅ．（）１
其中：角标．表示第．个原子，是腔模的湮灭算符，Ｃ代表厄密共轭项．『『ｎＨ．．在大
失谐条件下，》Ｉ（）、￡Ｉ激发态Ｉ和ｌ＞即△ ｌｌ），ｇ（＞可绝热去除，则系统的有效哈
（０ＯＯＯ２２０Ｊ０２；２１ＪＬ０，０７００）福建省教育厅基金资助项目（Ａ００２Ｊ９４）
３０
泉州师范学院学报
（ｒ）ｆｆ＞ｓｆ＋口＜＋口ｓｊ（）（ｆ＜＋口）ｉ］口）ｆｆ（）．
陈志华，苏孙庆
（．１福建师范大学物理与光电信息科技学院，福建福州３００；．５０７２集美大学理学院，福建厦门３１２）６０１
摘
要：利用绝热技术提出制备ｗ态和两原子高维纠缠态方案．在这些方案中，量子信息都存储在原子的
基态上，系统仅在暗态空间中演化，且原子在激发态上无布居，这使得原子的自发辐射效应大大受到抑制．另外，绝热技术确保这些方案对实验参数的涨落具有强的鲁棒性．其方法操作步骤简单，既有效节省了资源，同时
显然，当设计脉冲波形使之满足
一０．
Ｏ一）
１・）
（）４
＝＝０
时，辅助原子ａ和腔系统的态由Ｉ）绝热演化为态（１＞．ｓ０一）ｉｌ第二步，当原子ａ腔Ｃ出来后，从三个初态均为Ｉ＞的全同原子１２３再同时通过该单模腔，、，根据式（）２，由原子１２３、、和腔组成的系统有一个暗态

量子纠缠与量子电路的制备与操作步骤解析

量子纠缠与量子电路的制备与操作步骤解析量子计算作为新一代计算技术的前沿领域，正在迅速发展，并显示出超越传统计算机的潜力。

其中，量子纠缠和量子电路是两个关键的概念。

量子纠缠是指在量子力学中，两个或多个量子系统之间存在一种特殊的关系，使它们的状态无法独立地描述。

而量子电路是用量子比特搭建的一种电路，用来处理和操作量子信息。

在本文中，我们将对量子纠缠和量子电路的制备与操作步骤进行详细解析。

一、量子纠缠的制备量子纠缠的制备过程通常可以通过以下步骤实现：1. 制备纠缠态：首先，需要选择两个或多个量子比特作为待纠缠的系统。

目前，常用的量子比特包括原子、离子和超导体。

然后，利用特定的量子门操作将这些量子比特纠缠在一起，使它们的状态相互依赖。

例如，可以使用CNOT门或Hadamard门等常见的量子门操作来制备纠缠态。

2. 纠缠质量的判断：纠缠质量是指纠缠态的纯度程度。

在实际制备纠缠态中，由于环境的噪声和干扰等因素，纠缠态往往会受到一定的退相干影响。

因此，需要采用一些方法来评估纠缠态的纯度程度。

例如，可以通过测量两个量子比特之间的关联度或密度矩阵的特征值等指标来判断纠缠质量。

3. 纠缠态的存储和传输：在制备好纠缠态后，需要将其存储或传输到其他的物理系统中。

这可以通过一些物理手段来实现，例如，可以将纠缠态传输到另一个量子比特或传输到远距离的量子通信线路中。

二、量子电路的制备量子电路的制备通常包括以下几个步骤：1. 选取量子比特：首先，需要选择用来搭建量子电路的量子比特。

常用的量子比特有超导量子比特、离子量子比特、原子量子比特等。

选择量子比特时，需要考虑其稳定性、易操作性和可控性等因素。

2. 量子比特的初始化：每一个量子计算任务的开始，都需要进行量子比特的初始化，即将量子比特的状态置为目标状态。

常用的初始化方法包括将量子比特置于基态或将之放置在超导系统的合适激发态。

3. 量子门操作：量子门操作是量子电路中的关键步骤，用于创造量子比特之间的纠缠和进行量子信息处理。

原子纠缠态

原子纠缠态引言：原子纠缠态是量子力学中的一个重要概念，它描述了两个或多个原子之间的密切关联，即使在空间上相隔很远，它们的状态仍然是相互依赖的。

在本文中，我们将深入探讨原子纠缠态的基本原理、应用以及相关的实验验证。

一、原子纠缠态的基本原理原子纠缠态是量子力学中的一种特殊状态，它可以用来描述两个或多个原子之间的非经典关联。

在经典物理中，物体之间的关系是通过传递信号或信息来实现的，而在量子力学中，原子之间的关系是通过纠缠态来实现的。

原子纠缠态的基本原理可以通过以下实验来理解：假设有两个相隔很远的原子A和B，它们组成了一个系统。

在某个时刻，我们对这个系统进行测量，得到了原子A的某个性质a和原子B的某个性质b。

根据量子力学的原理，此时原子A和B的状态并不是确定的，而是处于叠加态的状态。

只有当我们对其中一个原子进行测量时，才能确定它的状态，并且这个测量结果会立即影响到另一个原子的状态，即使它们相隔很远。

二、原子纠缠态的应用原子纠缠态在量子通信、量子计算和量子测量等领域有着广泛的应用。

1. 量子通信：原子纠缠态可以用于实现安全的量子通信。

由于原子纠缠态的非经典关联特性，任何对其中一个原子的测量都会立即影响到另一个原子的状态，因此在传输过程中，任何对原子的干扰或窃听都会被立即察觉到。

这使得量子通信具有了高度的安全性，可以用于保护敏感信息的传输。

2. 量子计算：原子纠缠态可以用于实现量子计算。

量子计算是一种利用量子纠缠态和量子叠加态进行计算的新型计算方式，相比传统计算机，它具有更强的计算能力和更高的并行性。

原子纠缠态可以作为量子比特（qubit）来存储和处理信息，从而实现更复杂的计算任务。

3. 量子测量：原子纠缠态可以用于实现超精密测量。

由于原子纠缠态的特殊关联性质，通过测量其中一个原子的性质，可以获得与之相关的另一个原子的信息，从而实现超高精度的测量。

这对于精密测量领域的发展具有重要意义，可以在很大程度上提高测量的精确度和稳定性。

利用原子与SU(2)相干态腔场的Raman相互作用制备原子纠缠态

才ｕＪ在十年内分别提出了制备两原子或三原子原子纠缠态各种方案。在他们的方案中，都采用的是原９等大子与单模相干腔场或者光子的纯Ｆｅｏｋ态ｆｚ及叠加态的相互作用。至今很少见到利用原子与双模Ｓ２，）Ｕ（）相干态腔场的相互作用来制备原子纠缠态的方案。在此提出一种利用Ａ型三能级原子与Ｓ２相干态腔场的一个模发生拉曼相互作用以制备原子纠缠Ｕ（）态的方案。在我们的方案里。先根据Ｇｅｒ首ｒｙ等人ｏ或Ｄｂ等人［供的方法将腔场制备成ｓ２双模Ｊｅ２Ｊ１提ｕ（）
相干态，后利用Ａ型三能级原子的两个低能态与腔场发生相互作用，后对腔场进行选择性测量探测，然然就
可获得多种形式的原子纠缠态。
２原子一腔场的拉曼耦合过程及其相互作用的时间演化的描述
二粒子体系的自旋单态的纠缠态为例，加明晰地表达了ＥＲ佯谬。量子力学的非局域性及其内涵一直为更Ｐ人们广泛关注。Ｂｌ不等式Ｊ工作，ｐｃ等人Ｊ实验测量，统计上证实了二粒子纠缠态呈现的非局ｅｌ的Ａｓｅｔ的从域关联。多粒子体系的自旋纠缠态也开始引起人们关注。ＧＨＺ态是人们广泛讨论的一种基本纠缠态－，７Ｊ

基于超导量子比特和里德堡原子的纠缠态制备方法及装置[发明专利]

专利名称：基于超导量子比特和里德堡原子的纠缠态制备方法及装置
专利类型：发明专利
发明人：袁健豪,潘德坚,叶沁州,梁振涛,颜辉
申请号：CN202011157980.8
申请日：20201026
公开号：CN112561067A
公开日：
20210326
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于超导量子比特和里德堡原子的纠缠态制备方法及装置，将超导量子比特与超导传输线腔的选定模式共振耦合，同时将里德堡原子的两个里德堡态与超导平面波导腔/超导平面LC谐振腔共振耦合，将超导平面波导腔/超导平面LC谐振腔与超导传输线腔的选定模式共振耦合；调节超导量子比特和超导传输线腔的耦合强度g，以及里德堡原子和超导平面波导腔/超导平面LC 谐振腔的耦合强度g，使它们与超导传输线腔和超导平面波导腔/超导平面LC谐振腔之间的耦合强度J 满足的关系；借助两个强微波驱动场，实现非常规几何量子门，完成最大纠缠态的制备。

可降低里德堡原子所需激光场和磁场以及辐射冷却超导同轴电缆对超导量子比特相干性的影响。

申请人：华南师范大学
地址：510006 广东省广州市广州大学城华南师范大学理六栋
国籍：CN
代理机构：广州容大知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：潘素云
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量子纠缠的实验制备和观测方法

量子纠缠的实验制备和观测方法量子纠缠作为量子力学中的重要概念，近年来备受科学家和研究领域的关注。

量子纠缠是指两个或多个量子系统之间存在一种特殊的量子状态，即使它们之间处于空间上的距离远离，它们的状态仍然密切相关。

这种特殊的状态对于量子信息和通信的研究具有重要意义，因此量子纠缠的实验制备和观测方法成为该领域的重要研究课题。

在实验制备量子纠缠的过程中，常见的方法包括纠缠源制备和量子门操作。

纠缠源是制备量子纠缠的关键，它可以通过多种物理实现方式来实现。

其中，最常用的方法是利用光子的线性过程实现量子纠缠。

光子纠缠源通常是由一对发射纠缠光子的非线性晶体构成。

通过非线性过程，晶体中的一个激发被分裂成两个相干的光子，这两个光子的态将纠缠在一起。

另一个常见的方法是通过冷原子气体实现量子纠缠。

冷原子气体中的原子通过受限的运动形成一维光栅，通过激光冷却使原子的布居分布变得高度局域化，从而实现了原子之间的纠缠。

除此之外，超导量子比特、量子点等多种物理系统也可以被用来作为纠缠源。

在量子纠缠的实验制备过程中，还需要进行量子门操作，以实现纠缠的控制和操作。

量子门操作是一种可以改变量子比特之间关系的操作，它通过改变量子比特之间的相对相位和概率幅来实现对量子信息的处理。

最常见的量子门操作包括CNOT门、Hadamard门和位相门等。

通过这些量子门操作，可以实现量子态的控制、转换和纠缠的制备。

在量子纠缠的观测方法方面，有多种技术可以用来检测和证实量子纠缠的存在。

其中，最常用的方法之一是贝尔不等式检验。

贝尔不等式是由贝尔提出的一种测量两个量子非互耦系统纠缠程度的不等式。

通过对两个纠缠粒子进行适当的测量，可以得到满足贝尔不等式的结果，从而证实它们之间存在纠缠关系。

此外，还可以利用波尔兹曼熵和许多其他的纠缠度测量方法来描述和定量量子纠缠的程度。

总之，量子纠缠作为量子力学的核心概念之一，在量子信息和通信领域具有重要的意义。

实验制备和观测量子纠缠的方法包括纠缠源制备和量子门操作等，通过这些方法可以实现量子纠缠的制备和控制。

如何产生纠缠的量子

如何产生纠缠的量子如何产生纠缠的量子一直是量子物理领域中一个备受关注的问题。

纠缠态是量子力学中一种奇特的现象，两个或多个粒子间由于量子纠缠而表现出相互关联的状态。

这种关联性违背了经典物理学中的因果关系，对于量子信息处理和量子通信等领域具有重要意义。

在量子力学的早期发展中，人们已经意识到了纠缠态的存在，但如何产生纠缠的量子一直是一个挑战。

直到近几十年来，随着量子技术的不断进步，科学家们才逐渐找到了一些有效的方法来产生纠缠的量子。

首先，产生纠缠的量子需要使用一种叫做量子比特的基本量子系统。

量子比特可以是原子、离子、光子等系统，具有禺量子叠加态和相干性质。

通过对量子比特进行适当的操作，可以让它们产生纠缠态。

一种常见的方法是使用光子对的偶极子实现纠缠。

这种方法利用了光子的量子叠加性和不可分辨性，通过激发相邻的光子对，使它们处于纠缠态。

这种方法可以实现高效地产生纠缠态，是量子通信领域中一个重要的技术。

另一种常见的方法是使用超导量子比特实现纠缠。

超导量子比特是一种在极低温下操作的量子系统，具有长寿命和高度可控性的优点。

通过在超导量子比特之间施加微波脉冲和磁场调控，可以使它们产生纠缠态。

这种方法被广泛应用于量子计算和量子模拟等领域。

除了以上两种方法外，还有一些新颖的技术被提出来产生纠缠的量子。

例如，利用离子阱中的离子进行量子纠缠实验;利用超冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚态实现纠缠态的制备等。

这些新技术为纠缠态的产生提供了更多的可能性，为量子信息处理领域的发展带来了新的机遇。

产生纠缠的量子不仅是一项基础研究，也有着重要的应用价值。

纠缠态被广泛应用于量子通信、量子密钥分发、量子隐形传态等领域。

例如，在量子通信中，可以利用纠缠态实现量子隐形传态，确保通信的安全性和可靠性。

在量子计算中，纠缠态可以提高计算效率和精度，实现更复杂的量子算法。

然而，产生纠缠的量子仍然存在一些挑战和限制。

首先，纠缠态的制备需要严格的实验条件和技术手段，不同的系统需要设计不同的纠缠产生方案。

量子光学中的量子态工程技术

量子光学中的量子态工程技术在当今科技飞速发展的时代，量子光学作为一门前沿学科，正引领着我们对光与物质相互作用的理解进入一个全新的境界。

其中，量子态工程技术无疑是量子光学领域中的一颗璀璨明珠，为实现各种量子信息处理和量子通信任务提供了关键的手段。

量子态，简单来说，就是微观粒子所处的一种特定状态。

在量子世界中，粒子的状态不像在经典世界中那样可以被明确地确定，而是以一种概率的形式存在。

而量子态工程技术，就是通过各种手段来精确地制备、操控和测量这些量子态，以实现特定的量子任务。

为了更好地理解量子态工程技术，让我们先从量子光学中的基本概念入手。

光子，作为光的基本粒子，具有能量、动量和偏振等特性。

在量子光学中，我们关注的不仅仅是光子的数量，更重要的是它们所处的量子态。

例如，单个光子可以处于水平偏振态、垂直偏振态或者它们的叠加态。

而多个光子可以处于纠缠态，这种状态下，它们之间存在着一种神秘的关联，即使相隔很远，对其中一个光子的测量也会瞬间影响到另一个光子的状态。

那么，如何实现量子态的工程呢？这需要一系列先进的技术和方法。

其中，最常用的手段之一是利用激光与原子或分子的相互作用。

通过精确控制激光的频率、强度和脉冲形状等参数，可以实现对原子或分子内部电子态的操控，从而制备出所需的量子态。

例如，在冷原子实验中，科学家们利用激光冷却和囚禁技术，将原子冷却到接近绝对零度的低温，此时原子的运动速度变得非常缓慢，量子效应得以显著体现。

然后，通过特定的激光脉冲序列，可以实现对原子量子态的精确操控，制备出各种复杂的量子态，如叠加态、纠缠态等。

除了激光与原子的相互作用，量子点、超导电路等也为量子态工程提供了重要的平台。

量子点是一种尺寸在纳米量级的半导体结构，它可以像一个人造原子一样，具有离散的能级。

通过施加电场、磁场或者光场等，可以调控量子点中电子的状态，实现量子态的制备和操控。

超导电路则利用了超导材料在低温下的零电阻特性，通过设计特殊的电路结构，可以实现对超导电流和电磁场的精确控制，从而实现量子态的工程。

如何操控量子态的制备与操作方法

如何操控量子态的制备与操作方法引言：量子力学是描述微观世界行为的理论。

在物理和计算机科学领域，量子态的制备与操作是非常重要的技术。

掌握量子态的制备与操作方法可以帮助我们实现量子计算、量子通信以及量子传感等各种应用。

本文将介绍如何操控量子态的制备与操作方法。

一、量子态的制备方法1.1 高斯光的制备高斯光是量子操控中最常使用的一种量子态。

高斯光的制备可以通过将激光束传输过一个光学元件，如光学晶体或波导器件来实现。

这些光学元件可以调节激光束的幅度和相位，使其符合高斯分布的形式。

1.2 自旋态的制备自旋态是经常被用来制备和操作量子态的一种量子性质。

通过在原子或离子上施加磁场或微波场等，可以操控自旋的分布，从而实现不同自旋态之间的转换。

1.3 纠缠态的制备纠缠态是量子操控中的一种重要资源，它可以用于实现量子计算和量子通信。

纠缠态的制备可以通过将两个或多个量子系统进行相互作用，使它们处于无法被分解为独立部分的状态。

二、量子态的操作方法2.1 相干操作相干操作是将量子态从一个状态变换为另一个状态的一种方法。

通过使用纯态操作，可以将量子态从一个测量基转化到另一个测量基，实现量子信息的编码和解码。

2.2 量子门操作量子门操作是一种能够在量子比特之间传递信息的操作方法。

通过对量子比特施加不同的操作，可以实现量子位的逻辑门操作，如Hadamard门、CNOT门等。

2.3 量子测量量子测量是量子态操作中的重要步骤。

通过对量子系统进行测量，可以确定量子态的性质并获取相关信息。

量子测量可以通过使用测量设备，如光子探测器或离子探测器来完成。

三、量子态的控制技术3.1 量子纠缠技术量子纠缠技术是一种将两个或多个量子比特之间的相关性传递给其他量子比特的技术。

通过操控量子态的纠缠性质，可以实现远距离量子通信和量子密钥分发等应用。

3.2 量子退相干技术量子退相干技术是通过控制和操控量子态的环境干扰和噪声，延长量子态的相干时间。

这对于量子计算和量子信息处理非常关键，因为相干时间的长短直接影响着量子态的稳定性和可控性。

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近年来，子纠缠态的制备成为量子力学中引＾注意论的矛盾．它不需违Ｂｌ不等式．可以对局域隐变量原原即ｅｌ就的课题。西为当两个自旋１２的粒子处于最大纠缠态．／亦子理进行检验即ＥＲＥｎｔｉ— Ｐｄｌｋ — Ｒｓｎ态时．ｅｌ等式Ｐ（ｉｓｎｅｏｏｓｙｏｅ）Ｂｌ不不九前，ｒ￣” 提出了一种基于非退化的两光子Ｇｅｒ将被违背．由此可以证明关于量子理论的局域隐变量原理的不正确性不投如此．可以用粒子的纠缠态以实现Ｊｙｅ－Ｃｍｎｓ型来制备另一形式的四原子纠缠态还ａｎｓｕｍｉｇ模量子隐形传态（ｕｎｅｐｒａｉ）¨］一十二能级原子的方案．四原子纠缠态具有如下形式．ｑａｍｍｔｔｏｔｔｎ［ｌ．ｏ＿这等同于一个自旋１２的粒子．且对原子的探嗣效率可选／而Ｉ
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（底师范高等专科学校物理系瑚南娄檀娄底４７０）１００要：出了一种利用＾型三能衄席干与相干击腔场的Ｒｍａ相互作用制备多种彤式的原干纠垃态的普遍方靠研究表明提一ａｍ
态的纠缠态．
其中｛）Ｉ＞别为原子的激发态和基态．脚标Ｉ２ｅ和分ｇ而和分别为原子Ｉ和原子２一Ｉ８９９年．ｅｎｅｇ￣人［出了多原子Ｇｒｅｂｒ— Ｇｒｅｂｒｔ等提ｅｎｅｇｅ — ＨｎｅｉｇｒＧＨＺ态的概念．米Ｃｒｃ等人ｔ．ｒ０ｅ —Ｚｉｎｅ（ｒｌ）后［ａＺｅｇ等人ｐ。和Ｓｎｈｎ ‘１。ｏｇ等人也提出了方案制备如下形
．．
．
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（３）
而Ｇｅｒ￣ｒ ” 的另一方按则是利用巨型三能级原子与腔ｙ
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场的相互作用．制备了如下形式的三能级原子的两个低能
ｗｉｈａｃｈｅｅｔｓａｅｅｖｔ－ｆ］Ｉｓｓｏｎｔａｔｍｕｉｔｐｔｏｒｎｌｔａｅｙ－ｉｄｔｉｈｗｈｈｙｅ￣ｔｍｉｎｔｎｇｅｔｔｅｏｃｅａ］ｄｓａ … ｔｍｉｉｅｔｎｅｔｔｏｃｄｎａｇｌｓｄａ… 日ｅｏａｎｄｕｄｒａｓｍｐｅｃｎｉｏ１ｈｂｔｉｅｎｅｉｌｏｄｔｎｉ
１Ｏ０
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此外，子在空间上容易分开因此人们采用多种原
方法以制备原子纠缠态Ｐｏｎｘ等，ｐ．ｄｙｖｓｖ等ｈｅｉ１Ｋ．ｒａｔｅ＾，ｉｃ等人以厦Ｓｎ等人［Ｃｒａ ”，ｏｇ分别提出了各种方案．备发下形式的两原子纠缠态制
中圈分粪号：４１２０３
ＰｒｐｒｔｏｆＭｕｔ—ｙｅＡｔｍｉｔｎｇｅｔｔｓｅａａｉｎｏｌｉｔｐｏｃＥｎａｌｄＳａｅ
ＣＨＥＮＣｈａｇ— ｎｎ。ｇｙｏ
Ｄｅａｍ￣ｎｆｐｒｅｔｏＰｈｙｉｓＩｕｉＴｅｃｅｓＣｏ］ｇ１ｏｄ４７０Ｃｈｎｓｃ．ｄａｈｒ］ｅｕｉ１００ｏｅｉａ
．
在普遍每件下可薮得多种形式的原手纠垃态。而在简单书件下，（ △】— 时，ｇｇ，ｒＦ原干北于消斟垃态
美■词：Ａ型三能蛙原干；纠埴态｛ａｎ相互作用Ｒｍａ文献标识码Ａ文章螭号．０８１６【０２ — ０ｌ０１０ — ６６２０１２０２３０
维普资讯
第２期
２００２年４月
娄底师专学报
ｊｕｎｌｆＬｏｄａｈｒｌｇｏｒａｏｕｉＴｅｃｅｓＣｏｌｅｅ
ＮＯ．２Ａｐｒ２２．，００
多种形式的原子纠缠态的制备