利用腔-QED进行两原子任意态量子隐态传输方案
高精细度微光学腔及单原子的控制与测量
高精细度微光学腔及单原子的控制与测量【摘要】：腔量子电动力学(CavityQED)主要研究受限系统中量子化电磁场和原子之间的相互作用。
该系统不但可以检验量子物理的基本理论，有助于人们从根本上认识光与原子相互作用的过程，而且近年来作为量子信息的一种方案引起了人们的高度关注。
在强耦合腔量子电动力学过程中，单个原子与单个光子相互作用的拉比(Rabi)频率远大于腔场的衰减率和原子的自发辐射率，即腔内光与原子的相干相互作用强于整个系统的消相干过程，原子和腔场之间的演化在一定范围内可以看成相干演化过程，腔QED系统也因此成为研究光场与原子纠缠和消相干过程的重要手段。
对腔QED过程的研究极大地促进了原子操控、单粒子测量等多方面的发展。
一方面，随着激光冷却和俘获中性原子技术的发展成熟，人们可以将一团原子甚至于单个原子俘获在空间中特定的范围，并冷却到接近绝对零度。
但是如何在微腔中确定性地控制单个原子并对其进行测量是光频区腔QED实验面临的一个主要问题。
本文系统回顾了腔QED实验中内腔单原子的制备方案，并提出利用微光学偶极阱的单原子隔离效应实现微腔内确定性单原子的俘获方案。
在实验上我们采用双级磁光阱，利用原子自由下落的实验方案建立了自己的实验系统，在一定程度上获得了原子的控制。
另一方面，光频区腔QED实验应用腔长极短(几十到几百微米)的超高精细度(几十万到一百万)的光学F-P腔作为光子和原子相互作用的环境。
由于光学F-P腔极高的精细度，内腔光场的的衰减率非常小；同时极短的腔长可以增强单个原子的电场强度，增大光子与原子之间的相互作用(即拉比频率)，从而使整个系统达到强耦合。
光学微腔的建立、测量和控制是整个实验过程中的另一个重要环节。
本文详细介绍了光学微腔的搭建和参数的测量过程，并对微腔锁定和操控系统的实现做了具体的分析，最终实现了微腔的锁定并在实验上观察到原子自由下落穿过微腔的信号。
同时，对于腔QED实验系统这样一个开放系统，只能通过微腔腔镜的透射信号获得腔内的光场与原子相互作用的信息，并通过透射光场获得原子的控制等。
量子计算和量子逻辑门
1 引言量子信息是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科,它诞生于上个世纪80年代,在90年代中期引起国际学术界的巨大兴趣,受到西方各国的高度重视,得到迅速发展,迄今方兴未艾！量子计算是量子信息的一个重要分支，近年来得到了人们广泛的关注。
量子计算机是实现量子计算（quantum computation）的机器。
量子计算和量子计算机概念起源于著名物理学家Richard Feynman，是他在1982年研究用经典计算机模拟量子力学系统时提出的。
1985年，量子图灵机（Turing）的模型被David Deutsch提出，通过它的性质的研究，预言了量子计算机的潜在能力。
由于量子计算机依赖于量子力学规律处理信息，所以它有着经典计算机永远不可逾越的巨大优势。
量子计算机不但可以提供更多的比特以及更高的时钟速度，它还提供了一种基于量子原理的算法的全新计算方法[1]。
量子计算机中的信息是用量子逻辑门来进行处理的。
量子逻辑门是实现量子计算的基础。
为了实现量子计算，也就是说构建量子计算机，必须选择与设计合适的物理体系并控制它以实现量子逻辑门。
目前，已经有许多作为执行这些量子计算系统的逻辑门的方案被提出，而且其中许多方案已经实现。
例如，离子阱[2]、腔量子电动力学[3]、核磁共振[4]、量子点[5]和基于Josephson结的超导体方案[6]等。
基于Alan Turing理论发展起来的现代计算机科学在近几十年中取得惊人的发展,计算机硬件能力在20世纪60年代后的几十年时间里以近似Moore定律成长。
随着电路集成度的提高,进一步提高芯片集成度已极为困难。
当集成电路的线宽在011μm以下时,电子的波动性质便明显地显现出来。
这种波动性就是量子效应。
为此,多数观察家预期Moore定律将在21世纪前二十年内结束,人们在考虑替代当前计算机的新途径。
物理学方面,自Max Planck在1900年提出量子假说以来,量子力学给人类生活带来翻天覆地的变化,改变了经典物理学对世界的认知方式。
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.。
量子计算机
量子计算机量子计算机处理器量子计算机（quantum computer）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。
量子计算机量子计算机，早先由理查德·费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。
可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。
理查德·费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。
量子计算机的概念从此诞生。
2量子计算机，或推而广之——量子资讯科学，在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。
一直到1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题。
除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。
半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。
图2：布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几何表示法，是建立量子计算机的基础。
20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。
研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。
那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。
既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。
早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。
qed费曼规则-概述说明以及解释
qed费曼规则-概述说明以及解释1.引言1.1 概述:量子电动力学（Quantum Electrodynamics，简称QED）是一种描述电磁相互作用的量子场论，被认为是理论物理中最成功的理论之一。
QED由理查德·费曼、朱利安·施温格和汉斯·贝特创立，它成功地将经典电磁理论与量子力学相结合，提供了对电子、光子等基本粒子相互作用的极其准确的描述。
费曼规则（Feynman Rules）是QED中的一组重要工具，它是通过费曼图（Feynman diagrams）来描述基本粒子相互作用的规则。
费曼规则为我们提供了一种直观的方式来理解和计算基本粒子之间的相互作用过程，从而帮助我们更深入地理解自然界的奥秘。
在QED中，费曼规则的运用为我们提供了解决复杂的量子电动力学问题的有效途径。
本文将介绍QED的基本概念和费曼规则的重要性，探讨费曼规则在物理学研究中的应用，以及展望费曼规则在未来的发展方向。
通过本文的阐述，读者将能够更好地了解QED费曼规则在理论物理领域中的重要作用和意义。
1.2 文章结构文章结构部分介绍了本文的框架和组织方式。
本文共分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，我们将会对QED费曼规则进行概述，并介绍文章结构和目的。
在正文部分，我们将详细介绍QED的简介，费曼规则的概述以及费曼规则的应用。
最后，在结论部分，我们将对整篇文章进行总结，强调费曼规则的重要性，并展望未来可能的研究方向。
通过以上结构的设计，读者可以清晰地了解本文的内容安排，从而更好地理解QED费曼规则及其应用。
1.3 目的：本文的目的是介绍和探讨量子电动力学（QED）中的费曼规则。
通过对费曼规则的概述和应用进行深入剖析，旨在帮助读者更好地理解和运用这一重要的理论工具。
费曼规则在量子场论中扮演着至关重要的角色，通过学习和应用费曼规则，我们可以更深入地理解粒子之间的相互作用和物理过程，为解决物理学中的一系列难题提供了有力的工具和方法。
共振QED腔中无需Bell基测量N个量子比特GHZ态的传输
等 价 的纠 缠 形 式 ， 即为 Ｇ Ｚ态 和 Ｗ 态 ， 方 Ｈ 】 该 案 描述 的主要思 想是 不可能 通过 幺正变换使 这两 种 纠缠态 相互转 换 。 最近， ¨ 郑 等人研究 了没有 Ｂ ｌ基 测量 的量 ｅｌ
子 隐形传 态 。接 着 连 刮等人 对 在 离 子 阱 中通 过 原 子之 间概率 的传 输 进 行 了研 究 ， 而传 输 原 子 态 需 要 以下 ２个 步骤 ：
陈召楚 ， 耿 琚 ， 陈爱喜
（ 华东 交通大学应 用物理 系， 江西 南 昌 ３０ １ ） ３０ ３
摘 要 ： 共 振 Ｑ Ｄ腔 中 ， 计 了一 个 传 输 Ｊ 个 量 子 比特 Ｇ Ｚ态 的 方案 。通 过 选 择 合 适 的 哈 密顿 量 ， 需 Ｂ ｌ 在 Ｅ 设 ７ 、 ｒ Ｈ 无 ｅ ｌ
第 ６期
陈 召楚等 ： 共振 Ｑ Ｄ腔 中无需 Ｂｌ基测 量 Ｎ个 量子 比特 Ｇ Ｚ态 的传 输 Ｅ ｅ ｌ Ｈ
・８ ６５・
（ ） 第 １个 原 子 通 过腔 ， ２使 然后 对 第 １个 原 子进 行测 量 ， 过 传 送者 和接 收 者 信息 交流 来 判 通 断第 ２个 原子 是 否在 初始 时第 １ 个原 子 的量子 态
第２ ９卷
第 ６期
江
西
科
学
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ． １２ ６
Ｄｅ ． ０ｌ ｃ ２ １源自２１ ０ １年 １ ２月ＪＡＮＧ Ｓ ＥＮＣＥ Ｉ ＸＩ ＣＩ
文章 编 号 ：０ １ ３ ７ （０ １ ０ ０ ８ ｏ １０ — ６ ９ ２ １ ）６— ６ ４一 ４
共 振 Ｑ Ｄ腔 中无 需 Ｂ ｌ基 测量 Ｎ个 Ｅ ｅ ｌ 量 子 比特 Ｇ Ｚ态 的传 输 Ｈ
收 稿 日期 ：０ １ ０ ３ ； ２ １ — ９— ０ 修订 Ｅ期 ： １ —１ — ５ ｌ ２ １ １ ３ ０
传送两原子直积态的腔qed方案(英文)
传送两原子直积态的腔qed方案(英文)Quantum electrodynamics (QED) is a theory of how electromagnetic interactions occur between particles at the microscopic level. It is one of the most successful theories in modern physics and plays an important role in understanding the behavior of atomic and molecular systems. In particular, QED has been used to explain many phenomena, such as the energy levels of atoms, the Zeeman effect and the Stark effect. Recently, it has been proposed that two-atom QED could be used to generate entangled states, which could have a wide range of applications in quantum information processing.Two-atom QED is a cavity version of the traditional QED system, in which two atoms interact with each other in a common electromagnetic field. In this system, the two atoms are positioned close to each other, and the electromagnetic field is confined to the space within the cavity. This allows the two atoms to interact more strongly than in the open space, leading to new and interesting effects. One of the most intriguing effects of two-atom QED is that it can create entangled states, which can then be used for a variety of applications.For instance, entangled states can be used for quantum computing, where information is encoded in the states of two or more qubits. Entangled states are also useful for quantum cryptography, where the state of two qubits is used to securely transmit sensitive information. Finally, entangled states can be used to measure quantum effects such as spincorrelations between two particles, which could be useful for understanding the behavior of complex quantum systems.In addition to these applications, two-atom QED may also be useful for sensitizing scanning tunneling microscopes or improving atom-based magnetometers. In general, two-atom QED is a promising opportunity for exploring the fascinating world of entanglement and quantum information processing. With further development, two-atom QED could potentially revolutionize our understanding of the fundamentals of quantum physics.。
利用腔QED中的超导量子干涉仪实现量子态的远程制备
１ Ｓ Ｉ 模 型 及 相 关 操 作 ＱＵ Ｄ
首先考虑一个 Ａ型ｊ能级（ ） 图１ 超导量子干涉仪Ｓ Ｕ Ｄ Ｑ Ｉ 与一个单模腔场耦合． Ｑ Ｉ 的三个能级分别 ｓ ｕＤ
用 ０、１ ｌ 表 ． 以 出 个 合 统 哈 顿 ｌ ｌ和２ 示 可 写 这 耦 系 的 密 量 ： ） ） ）
￣Ｂ ｂ ， ｏ拥有的粒子２ ｌ Ｊ 所处 的是待传 态的正交互补态． 和量子隐形传态［ ２ １ 相比，远程态制备所需要 的资源少一 些， 并且实现量子态的制备只需要～ 比特 的经典通信 ； 而两者的共 同点是都需要量子纠缠对做量子通道． 量 子纠缠是量子力学的一个重要特征 ， 量子纠缠对作为量子信息领域的重要资源 ，在许多量子信息 的处理 中 起着 重要 作 用 ， 比如 ，量 子 密码 术 【、量 子 隐形传 态 【、量 子稠 密 编码 【等 ．在过 去 的二 十 多年 ，各 种产 生 ３ 】 ２ 】 ４ 】 纠缠态的方法和实验不断被报道 】 利用原子束 、 ， 离子和光子来实现纠缠态的各种方案 已被提 出， 而在微 腔 中， 两原子 、 三光子和四离子的纠缠态也在实验 中被实现． 比于这些系统 ， 相 超导量子干涉仪Ｎ Ｓ Ｕ Ｄ （Ｑ Ｉ ）
一
、 ，
ｌ 。１ Ａｉ需要通过经典信道把其测量结果告诉Ｂ ｂ 根据Ａｉ ｆ ］ ， ｌｅ ｃ ｏ， ｌｅ￣ 量结果， ｏ不需要对粒子２ ｃｌ Ｂｂ 做任何 操作， 就知道粒子２ 经处在待传量子态｝ ） 这个过程被称为远程态制备． 已 ， 如果Ａｉ 的测量结果为ｌ ）， ｌｅ ｃ ，
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２０ ０ ８年 ５月
襄樊 学 院学 报
Ｍａ ２ ０ ｙ ０８
．，
第２ ９卷第 ５ 期
Ｖ ｌ ９Ｎｏ ｏ ２ ５
制备两个三能级原子最大纠缠态的腔QED方案
个 原 子 被 先 后 送 入 一 个 单 模 共 振 腔 ， 子 和 腔 场 通 过 Ｊｙ ｅ— ｕ 原 ａｎ ｓＣ ｍｍｉｇ ｍｉｏ ｉｎ发 生 共 振 相 互 作 用 ． 们 的方 案 ｎ ｓＨａ ｌ ｎａ ｔ 我 基 于 前 腔 Ｑ Ｄ 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． Ｏ４ ３ ３ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ４４ ２ （０ ７ ０ —０ ６０ １０ —３ ９ ２ ０ ）４０ ２ —２
１ 基于腔 ＱＥ Ｄ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 ｇ Ｐ 厂 一 ｇ 的跃 迁频 率 分 别 为 ５ ． Ｇ １ １ Ｈｚ和 ５ 。 Ｈｚ ｌ‘ ４ ３Ｇ 。 ／ ＞在
Ｈ ＝ ００ ９ ＋口＋ 山 Ｓ ： ｏ ＋ ｉ （ Ｓ＋一 ａ Ｊ ａ ￣ ＋Ｓ一）一
ｚ＋ Ｈ ｏ＋ Ｈ ， （ ） １
腔QED中四能级系统的非传统几何量子位相门
了 中实现 非传统几何 门。在我们的方案中 ， 腔模置于依赖原
予态 的闭合路径 当中，因而需要相位 ，产 生相位 门。由于逻 辑门 的操作仅仅涉及到原子 的亚稳态 ， 因此原 子的 自发辐射 受到抑制 。 在某些特定 的情 况下 ， 位移轨道是一个很小的圆 ， 腔模在门操作过程中与原子系统退纠缠 ， 进而 导致对腔模衰
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第 ２ 卷 第 １ 期 ８ ２
２０ 年 １ 月 ０７ ２
涮 尚 科 技 学 院 学 报
Ｊ ｒ ｌｏｆＨ ｕ ｎＵ ｎｉｅ ｓｔ ｃ ｅ ｃ ｎ ｇｉｅ ｒｎ ｏｕ ｎａ ｎａ ｖ ｒ ｉｙ ｏｆＳ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｅｎ ｎ ｅ ｉｇ
文献 标 识 码 ：Ａ
文 章编 号 ： １７ — ２ ９ （０ ７ ２０ ２— ３ ６ ３２ １ ２ ０ ）１－ ０ ５ ０
１ 简 介
物理学中 ， 量子计算机 已经是一个很有必趣 的话题 ，ｌ 大 】 为它解决问题 的速 度比传统 的计 算机速 度快 很多。 量子 ｝算 卜
机 是 以叠 加和 纠 缠为 基 础…，这 恰 恰 是 量 子 世界 区别 于 经 典
子 空 间 。、 动态 退 耦 合 和 村千 平衡 等 等 。 。 Ｊ
２ 位相 空 间 中的非 传统 几何 位相
我们首 先回顾一下 沿任 意路径 的几何相移’ ，位 移算
符 是
除了以上的方案之外 ， 一种 很有前景 的实现 子门的方 法 是基于几何相移 的方案 。 当比特 系统的哈密顿量 沿着 Ⅵ控 制空问的环变化 的时候 ， 以通过几 何相移来 实现 一组 子 可 门Ｉ－１ ２ ｏ有两种 方法来 实现几何操 作 ：（ ）驱动 比特实现绝 １０ ４ １ 热循环演化 ；（ ）把谐振子置于 比特态 的闭合路径 。前者 ２ 成为传统几何门 ， 后者相反称为 非传统几何门。在不同 的系
概率量子隐形传态的腔QED实现
基金项 目：湖 南省教育厅科学研究基金 （６ ３４ ；湖 ０Ｃ ５ ）
）， ｌ ｌ） ＝ ） ｏ
＝ ａ ｅ ＋ｂ ｇ） ＋ ａ ｅ ＋ ｂ ｇ） （ ，ｌｅ，ａｌｇ ｆｌｅ ，ｆｌ ｇ ，Ａｌ ｅ ｉ 对原子 １ ２执行一个局域 Ｂ ｌ基测量 ， ｃ 和 ｅｌ ・ 四个 Ｂ ｌ态的表达为： ｅ ｌ
辑 的层次上 ，没有给出具体的物理系统和物理模型。
其 ＩＩ ＩＩ １Ｒａ ｌ 原 属 ｌ ， 子 中 ｂ ＝ ， ｌ≥ ｌ 子２ 于Ａｃ 原 ＋ ｌｂ 。 ｉ ｅ
３属于接收者 Ｂ ｂ ｏ 。则原子 １ 、２和 ３组成的总系统 的量子 态是
收 稿 日期 ： ２０ —１ －２ Ｏ６ ２ ０
意义 。 近年来， 概率量子隐形传态 的研究 吸引了学者们的广
） ＋ ｇ ｒ 。 ＝ ｌ ）
通道为 【８ ｌ】
（ １ ）
其中 ， 是未知 的叠加系数 ， 且满足 Ｉ Ｉ １ 。 ＋Ｉ ２ ＝１ 量子
）＝ ）＋ ｇ ， ： ）。 ， ，
（ ２ ）
泛关注 １－ｔ １１ｏ但这些方案中，多数是停留在纯粹的数学逻 ４７
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第２ ８卷 第 ４期
２０ ０ ７年 ４月
湖 南科技 学院学报
Ｊ ｒ ｌ ｕａ ｏｕ ｎａ Ｈ ｎ ｎ Ｕｎｉ ｒｉｙ ｏｆＳｃｅ ｅ ａ ｏｆ ｖｅ ｓｔ ｉｎｃ ｎｄ Ｅｎｇｎｅ ｒｎｇ ｉ ｅｉ
、ｏ ． ，１ ２８ ＮＯ． ４ Ａ ｐ ００ ￣２ ７
量子 态， 子 ２和 ３处于一个部分 纠缠纯态。发送者 Ａ ｉｅ 原 ｌ 对原子 ｌ ２ ｃ 和 进行 Ｂ ｌ基 测量后 并通 过经典通道把测量结果告诉 ｅｌ 接收者 Ｂ ｂ Ｂ ｂ再把原子 ３ 一个辅助原子 Ａ 同时注入一个单模真 空腔场。只要控 制原子 与腔场的相互作用时间，就 能 ｏ， ｏ 和
量子信息导论 量子计算部分详解
| α | 2 + | β | 2 = 1.
中国科学技术大学 陈凯
(Classical) Information
Information Technology
QuantumInfor mation
中国科学技术大学 陈凯
量子信息处理的概念和内涵
Shor算法
ã 计算步数 ã 利用经典THz计算机分解
300位的大数，需1024步， 150000年。 ã 利用Shor算法THz计算机， 只需1010步，1秒！ ã RSA将不再安全！
P. W. Shor
L. K. Grover
Grover搜寻算法
ã 如何在草堆中 找到一根针？
ã 经典搜寻：N 步 ã 量子搜寻：N1/2 步 ã 可破译DES密码：
The DARPA Quantum Network
中国科学技术大学 陈凯
NIST Quantum Communication Testbed
中国科学技术大学 陈凯
1 Mbit/s over 4km (2006年)
SECOQC QKD网络拓扑和分布
中国科学技术大学 陈凯
SECOQC QKD节点组成
新华社金融信息交易所
金融信息量子通信验证网(2012)
中国科学技术大学 陈凯
合肥城域量子通信试验示范网 (46个节点, 2012年)
美国量子信息国家战略 －－以LANL为例
鼓励交叉研究 理论与实验相结合
中国科学技术大学 陈凯
量子信息处理的物理实现
• Liquid-state NMR • NMR spin lattices • Linear ion-trap
QE试题及答案
QE试题及答案1. 单选题：以下哪个选项是量子纠缠的典型特征？A. 粒子间存在瞬时作用B. 粒子间存在超距作用C. 粒子间存在经典关联D. 粒子间不存在任何作用答案：B2. 多选题：量子计算中，量子比特（qubit）的特性包括哪些？A. 可以处于0和1的叠加态B. 可以进行超快速计算C. 可以被精确测量D. 可以存储大量信息答案：A, B3. 判断题：量子力学中的不确定性原理表明，粒子的位置和动量可以同时被精确测量。
正确/错误答案：错误4. 填空题：在量子力学中，一个粒子的波函数可以描述其_________。
答案：概率分布5. 简答题：请简述量子隐形传态的基本原理。
答案：量子隐形传态是一种利用量子纠缠和经典通信来传输量子信息的过程。
在该过程中，不需要传输物理粒子本身，而是传输粒子的量子态。
这通常涉及三个量子比特：发送者拥有的两个纠缠量子比特和接收者拥有的一个量子比特。
发送者对两个纠缠量子比特执行一个特定的量子操作，然后测量并发送测量结果给接收者。
接收者根据收到的信息对自己的量子比特进行相应的操作，从而复制发送者的量子态。
6. 计算题：假设一个量子系统处于以下状态：|ψ⟩= α|0⟩+ β|1⟩其中α和β是复数，且满足|α|^2 + |β|^2 = 1。
如果系统测量结果为|1⟩的概率是1/2，请计算α和β的值。
答案：根据概率公式，|β|^2 = 1/2，所以β = ±√(1/2)。
由于|α|^2 + |β|^2 = 1，我们可以解出|α|^2 = 1/2，因此α =±√(1/2)。
所以α和β的值可以是±√(1/2)。
量子隐形传态的实验原理与方法
量子隐形传态的实验原理与方法量子隐形传态是一种利用量子纠缠效应实现信息传输的新颖方法，它具有高度安全性和快速传输的优势。
本文将介绍量子隐形传态的实验原理与方法，包括理论基础、实验装置和关键步骤。
一、理论基础量子隐形传态基于量子纠缠的原理，其中涉及到量子纠缠态、量子非局域性和量子纠缠隐形传态等概念。
1. 量子纠缠态：量子纠缠是指两个或多个粒子之间由于量子叠加原理而存在的一种特殊关系。
在纠缠态下，一个粒子的状态的改变会立即影响到另一个纠缠粒子的状态，无论两个粒子之间的距离有多远。
2. 量子非局域性：量子非局域性是指，纠缠粒子之间的相互作用不受空间距离限制。
这种非局域性的存在是量子隐形传态实验的关键基础。
3. 量子纠缠隐形传态：量子隐形传态是利用量子纠缠的特性，将发送端的信息发送到接收端，实现量子态的传输，同时保持信息的隐秘性。
这种传输方式可以绕过空间中的障碍物，并且传输速度相当于瞬间完成。
二、实验装置在量子隐形传态的实验中，需要使用一些特殊的装置来创建和测量量子纠缠态。
1. 光源：实验中通常使用光子作为量子比特的载体，因此需要一个稳定的光源来产生相干光，如激光器。
2. 纠缠源：纠缠源是产生量子纠缠态的关键装置，一般采用非线性光学晶体，通过二次非线性过程产生纠缠光子对。
3. 光学器件：实验中还需要使用一系列光学器件，如偏振分束器和相移器，来进行光子的控制和操作。
4. 探测器：实验装置中需要使用高效和灵敏的光子计数器件来检测光子的数量和状态。
三、关键步骤量子隐形传态实验中包含几个关键步骤，包括创建量子纠缠态、传输量子态和接收量子态。
1. 创建量子纠缠态：首先使用光源产生一对纠缠光子，可以通过非线性晶体的作用来实现，其中的一个光子作为发送端，另一个光子作为接收端。
2. 传输量子态：发送端将待传输的量子态与纠缠光子进行相互作用，利用纠缠性质将信息传递给接收端。
这一步需要使用光学器件进行控制和操作。
3. 接收量子态：接收端使用特定的探测器来测量接收到的光子，并将测量结果与发送端的相关信息进行比较。
自由空间测量设备无关的量子密钥分发实验
我们的系统采用了隐私增强技术，如差错纠 正和信息认证码等，以保护用户的隐私和安 全。
04
结论与展望
研究结论
证明了测量设备无关量子密钥分发的可行性
实验结果证明了测量设备无关量子密钥分发在自由空间环境中的可行性，为未来量子通信 网络的建设提供了新的方案。
验证了量子密钥分发的安全性
通过实现测量设备无关的量子密钥分发，实验验证了量子密钥分发的安全性，对保障通信 安全性具有重要意义。
效率分析
分析协议的效率、传输速 度、误码率等性能指标， 优化协议参数
实验装置与流程
实验装置
包括发射端、接收端、量子信道、控制和监测系统等
实验流程
从量子态的产生、编码、调制、传输到解码、测量和密钥生成的整个过程
03
实验结果与分析
实验数据及处理
数据收集
在实验中，我们收集了大量的原始数据，包括发 射端和接收端的测量结果、设备状态信息等。
面具有较高的安全性。
稳定性
03
通过对不同时间段和不同环境条件下的实验数据进行
比较，我们发现系统表现出良好的稳定性。
安全性分析
前向安全性
我们的系统采用了前向保密协议，确保即使 在攻击者获得部分信息的情况下，仍然能够 保证通信的安全性。
测量设备无关性
我们的系统采用了测量设备无关的方案，避免了测 量设备被黑客攻击或篡改的风险。
自由空间测量设备无关的 量子密钥分发实验
汇报人： 2023-11-30
目录
CONTENTS
• 引言 • 实验系统与装置 • 实验结果与分析 • 结论与展望 • 参考文献
01
引言
研究背景与意义
背景
量子密钥分发（QKD）是一种利用量子力学原理实现安全密钥分发的技术，可应用于军事、政治、商业等领域。
半导体器件中的量子限域效应研究
半导体器件中的量子限域效应研究半导体器件是现代科技领域中不可或缺的一部分，它们在电子通信、计算机科学和能源转换等领域发挥着重要作用。
然而，随着器件越来越小，量子限域效应成为研究的热点。
量子限域效应是指在纳米尺度下，由于电子波长较大，量子力学效应开始影响电子的运动。
在半导体器件中，常常会使用纳米级别的结构来实现更高的性能，但这也导致了一些新的问题。
首先，量子限域效应会造成电子在器件中出现隧穿现象。
隧穿效应是指电子能够跨越势垒，在经典物理学中不可能发生的现象。
在纳米级别的半导体结构中，电子的波长与结构尺寸相近，这使得电子能够通过势垒进入本来被禁止的区域。
这一现象的发生会对器件的性能造成一定影响，需要我们深入研究。
其次，量子限域效应也会导致电子在半导体中出现局域化现象。
在经典物理学中，电子可以在晶体中自由移动，而在纳米级别的半导体中，电子的波函数会受到结构的约束，只能在特定的区域内运动。
这使得电子能级在半导体中变得更加稀疏，进而影响半导体材料的导电性能。
研究局域化现象，有助于我们更好地理解半导体器件的物理特性，进而提出改进的设计方法。
另外，量子限域效应也会对半导体材料的光电特性产生影响。
在一些纳米级别的半导体结构中，由于电子的限域效应，光电子转换的效率可能会显著提高。
这可以通过量子点的形成来实现，量子点是一种在三维空间中具有量子限域效应的结构，可以在光电转换中发挥重要作用。
研究量子限域效应对光电转换性能的影响，可以为新型光电子器件的设计提供有益的参考。
此外，由于纳米尺度下量子效应的影响，半导体器件的电流传输特性也会发生变化。
电子在纳米级别的半导体结构中的行为可能出现非线性，并显示出独特的输运特性。
这为纳米电子器件的设计和应用提供了新的思路。
因此，研究半导体器件中的量子限域效应对电流传输的影响，对于优化纳米电子器件的性能至关重要。
综上所述，半导体器件中的量子限域效应是一个重要而复杂的研究课题。
通过深入研究，我们可以更好地理解电子在纳米级别半导体结构中的行为，并提出相应的解决方案和设计方法。
qmd方法
qmd方法
QMD方法，全称为Quantum Molecular Dynamics（量子分子动力学）方法，是一种结合了量子力学和经典分子动力学的计算模拟技术。
它广泛应用于材料科学、化学、生物学以及物理学等多个领域，用以研究原子和分子的微观运动以及它们之间的相互作用。
QMD方法的核心思想是在量子力学的框架内描述原子核和电子的运动，通过求解体系的薛定谔方程，获得体系的波函数，进而计算各种物理和化学性质。
然而，由于实际体系的复杂性，精确求解薛定谔方程往往是非常困难的，甚至是不可能的。
因此，QMD方法采用了一系列的近似和数值技术，以在保持一定精度的同时降低计算的复杂性。
在QMD方法中，原子核的运动通常被处理为经典粒子，而电子的运动则用量子力学来描述。
这是因为原子核的质量远大于电子，其量子效应相对较弱。
通过Born-Oppenheimer近似，可以将原子核和电子的运动分离开来，从而大大简化了问题。
此外，QMD方法还采用了各种数值技术，如有限元方法、谱方法、平面波展开等，以高效地求解体系的波函数。
同时，由于实际体系中往往包含大量的原子和分子，QMD方法还需要借助高性能计算机进行大规模的并行计算。
总之，QMD方法是一种强大的计算模拟技术，能够揭示原子和分子的微观运动规律以及它们之间的相互作用机制。
随着计算机技术的不断发展和数值方法的不断改进，QMD方法在材料设计、药物研发、能源转换等领域的应用将会越来越广泛。
epr原理
epr原理EPR原理，全称Einstein–Podolsky–Rosen原理，是量子物理学领域中的一个著名概念。
该原理阐述了量子力学中的非局部关联性，诠释了一种称为“量子纠缠”的现象。
下面分步骤阐述EPR原理与其应用。
一、 EPR原理的提出EPR原理最早由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在1935年提出。
他们认为，两个同时发生爆炸的原子核产生两个电子，这两个电子会互相呈现出相反的自旋。
此时，当其中一个电子的自旋被测量时，另外一个电子的自旋状态也应该是确定的。
这项现象反映出对象之间存在着非局部的连带关系。
二、 EPR原理的实验验证EPR原理在实践中得到了证实。
一系列各类的实验都证明了它，并且为新的技术创造了可能性。
比如，基于EPR纠缠制备的量子比特能够用于实现量子计算；EPR纠缠还能用于创造保密的量子通信通道。
三、 EPR原理的应用EPR原理已成功应用于多项领域。
量子计算、量子保密传输和量子密钥分发被认为是该原理的最重要应用。
它也被用于研究化学反应，半导体生产和切伦科夫辐射等领域。
四、 EPR原理的疑议然而，EPR原理也有其可疑之处。
由于实验被限制在量子纠缠对的情况下，而且无法确定对象之间的非局部关系，因此其适用范围存在一定的限制。
此外，如果应用不当可能会导致结果的错误解释。
在当代物理学中，EPR原理在很多伟大的物理研究中起到了至关重要的作用。
在未来的物理研究中，我们的理解和应用将进一步完善，EPR原理也必将继续在物理学和其它领域里取得更大进展。
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提 出 了多种 利用腔 ＱＥ Ｄ对单 原子 态及 多原子 纠缠 态进行 量 子隐 态传 输 的方 案ｎ ． 这些 方案 中 ， 在 量 子 隐态传 输过 程 中无需 对原 子进行联 合 Ｂ ｌ态测 量 ， 文献 ［ ７ １ ］中 ， ｅｌ 在 － —９ １ 由于原子 受一个 外 加 的强经 典 场 的驱动 ， 使传 输过 程不 受腔 泄漏及 环境 热库 的影 响． 笔者 提 出一种 无需 Ｂ ｌ 态 测量 的两 个 ２能 级原 子 任 意态 量 子 隐态 传 输 方 案． ｅｌ ｌ 一 我们 让两 个原 子 同
量 ， 不 受 腔 泄 漏 及 环 境 热 库 的影 响， 且
关 键 词 ： Ｑ Ｄ； 子 隐 态传 输 ； 腔 Ｅ 量 幺正 操 作 中 图 分 类 号 ： ３ ． ； Ｎｇ １ ２ Ｏ４ １ ２ Ｔ ｌ ． 文献 标 识 码 ： Ａ
量子 隐 态传输 是量 子纠 缠 的重 要应 用之一 ． 息发送 方 Ａｌ ｅ 信 ｉ 借助 于经典 信道 及量 子纠 缠态发送 一 ｃ 个 未知 量子 态给 远处接 受者 Ｂ ｂ 编码 在未知 量子 态 中 的量 子 信息 被 准 确无 误 地 传递 而 不伴 随 任何 实 ｏ， 物 粒子 的空 间 移 动． 量子 隐 态 传输 是 由 Ｂ ｎ ｅｔ 人ｎ ｅｎｔ 等 在 １ ９ ９ ３年 首 先 提 出 ， 于 １ ９ 并 ９ ７年 由奥 地 利 Ｂ ｕ ｍｅｓｅ 等人 在实验 上成 功将一 个单 比特 量子态 从 甲地 的光子 传送 到 乙地 的光子上 ． 年来 ， ｏ ｗ ｅ ｔｒ ］近 人 们 从理论 上 提 出许 多方 案来传 送未 知量子 态［ ．在 这些 实现 隐态传 输 的方案 中， 键一 步是 实现 Ｂ ｌ ３ 关 ｅ ｌ
时 与一个 单模 腔场 及一 个强 经典场 相互作 用 ， 以消 除热 库及腔 泄漏 的影 响．
１ 在 ＱＥ 腔 中两 原 子 态 的 时 间演 化 Ｄ
假设 两个 原子 同时 与一个 单模腔 场及 一个 强经典 驱 动场相 互作 用 ， 使原 子 的跃迁 频率 。 并 与经 典 场 的频率 蚴 相等 ， 在旋 波近似 及相互 作用 绘景 下 ， 子 与场相互 作用 的 Ｈａ ｌ ｎ量 可 以表 示 为ｎ 原 ｍｉ ｏ ｔ ，
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ２ １３ ．
Ｊｎ ｕ ．Βιβλιοθήκη ２０ ０７文章 编 号 ：０ ０１ ３ （ ０ ７０－ １８０ １ ０－７ ５ ２ ０ ）２０ ６－４
利用 Ｑ Ｄ 腔．Ｅ 进行两 原子任意 态量子隐 传输 态 方案
王 雅 红 ， 梁红 卫 ， 宋 鹤 山
（ ， 连 理 工 大 学 物 理 系 ， 宁 大 连 １ ６ ２ ￣２ 大 连 轻 工 业 学 院 信 息 科 学 与 工 程 学 院 ， 宁 大连 １６ ３ ） １大 辽 １０４ ． 辽 １０ ４
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收 稿 日期 ： ０ ６ １ － ０ ２ ０ －０ ３
基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 资助 项 目（ ０ ７０ ７ １５ ５ １） ６ ４ ２ １ ；０ ７０ ７ 作 者 简 介 ： 雅 红 （ ９ ６ ， ， 宁 本 溪人 ， 连 轻 工 业 学 院 副 教 授 ， 王 １ ６一） 女 辽 大 大连 理＿ 学 博 士 研 究 生 ． — ｉ：ｈ ｎ ＠ｄ．ｎ Ｔ大 Ｅ ｍａｌｙ ｗａｇ １ｃ 宋鹤山（９４ ， ， １ ４－） 男 吉林 龙 井人 ， 连 理 工 大 学 教 授 ， 士生 导 师． 大 博
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第 ３ Ｏ卷 第 ２期
２０ ０ ７年 ６月
辽 宁 师 范 大 学 学报 （ 自然 科 学版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ａ ｎｎ ｒ ｌＵｎｖ ｒ ｉ （ ｔ ｒｌＳ ｉｎ ｅＥｄｔｏ ） ｏ ｒ ａ ｏ ｉｇ Ｎｏｍａ ｉｅ ｓｔ Ｎａｕ ａ ｃｅ ｃ ｉｉｎ ｏ Ｌｉ ｙ