光量子信息科学简介
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1 l 2
W
量子纠缠
r
M
1 r 2
W
l
M
真正的量子信息载体不可能是手套， 那是什么呢？
1背景知识
纠缠态的物理学定义
1
1 (0 2
1 B 1 A 1 B) A
2
1 (0 2
A
0
B
1 A 1 B)
可分离
1
1 (0 2
A
不可分离态
B
1 A) 1
纠缠态
1 ( 0 A 0 B 1 A 1 B) 2 1 ( 0 A 1 B 1 A 0 B) 2
目录
研究背景 方案介绍 结 论
26
3 结论
量子信息学利用微观粒子作为载体，凭借量子力学所特有的不同于宏观世界 物理规律的一些特殊性质，可以完成一些经典计算和经典通信难以实现或无法 实现的功能。如量子计算(quantum computation)利用量子力学的基本原理使得其 运算能力远超于经典计算机，其使用的量子比特(qubit)可以处于”0”和”1”的任 意叠加态上，因此其计算耗费时间只随计算复杂程度呈多项式上升，而不是经 典计算机中的呈指数上升；同样因为量子比特的叠加特性，量子存储(quantum memory)凭借其惊人的存储容量也引起了广泛的关注；随着量子计算的发展，传 统的基于质因子分解RSA加密技术已经不能保证绝对安全，基于量子计算机的 Shor量子算法可以轻易的破解这种密码，因此量子密码学也成为一门亟待研究 的学科，其中相对成熟的量子密钥分发技术(QKD)就可以从理论上保证通信的绝 对安全性。除此之外，量子精密测量(quantum metrology)在量子力学理论支持下 提供更精确的测量，量子光刻(quantum lithography)能制造装配比光波长量级小 得多的器件，这些量子信息的应用已经渗透到各行各业。
12
12 12
( H
3
V 3)
3
( H
V 3 ))
Zukowski M, Zeilinger A, Horne M A, et al. " Event-ready-detectors" Bell experiment via entanglement swapping[J]. Physical Review Letters, 1993, 71(26): 4287-4290.
2.1纠缠光子对的制备方法
环式QPM纠缠源
许金时. 光子纠缠态制备, 应用及演化的实验研究[D]. 中国科学技术大学, 2009.
2.1纠缠光子对的制备方法
基于波导的SPDC
效率更高，光纤结构更易操控，波段可选在近 红外通讯波段，多用PPLN,PPKTP
Zhong T, Wong F N, Roberts T D, et al. High performance photon-pair source based on a fiber-coupled periodically poled KTiOPO 4 waveguide[J]. Optics express, 2009, 17(14): 12019-12030.
1 1 H V 2 2
经过检偏器P（量子测量）后有一半光子坍缩到 H 态， 另一半光子坍缩到 V 态。最终会有一半光子通过检偏器， 宏观上表现为 对于单个光子，它处于水平偏振和垂直偏振的量子叠加态。 而大量这样光子的宏观表现就是45°偏振光。而检偏过程 就是量子坍缩过程。
1背景知识
小明和老王分别乘坐两艘飞船向 半人马座α星和M78星云进发,出 发前分别收到了一个黑盒子,每个 盒子中装有一对手套中的一支。
1背景知识
小明在星际旅行出发前收到一 个黑盒子，盒子里装了一只手 套。用量子力学的观点解释， 在不打开盒子的情况下，盒子 中的手套处于如下状态：
1 1 left right 2 2
手套例子
1、如果我们打开盒子会发生什么？ 2、手套和原子，到底有什么区别？
1背景知识
测量与量子坍缩
小明打开盒子后，有一半的概率分别得到左手手套 和右手手套。随后原来手套所处的
光量子信息科学简介
谭天弈 2016/6/23
光通信材料研究所
目录
背景知识 基本理论以及应用 现状与发展前景
1背景知识
量子态用dirac符号描述： 定态：
量子叠加态
En E3 ... ...
E1
E2 E1
叠加态：
Байду номын сангаас
p1
E1
p2
E2
... pn
En
如果我们不对这个原子的能量进行测量，那么这个原子 将同时处于这n个能量状态上，简单地说，就是分身成 了n个能量不同的原子。
变为
left
1 1 left right 2 2
或
right
这个过程即为 同样的，对于处于能量叠加态的原子，测量后也会 坍缩到一个确定的能量。一般来说，测得基态的概 率最大。
1背景知识
V
光子偏振态的叠加
P H
对于一束45°偏振的线偏振光， 其中每一个光子的偏振态可以描 述为：
2.2 量子隐形传态
1 H 1 V
BSM：Bell state measurement SPS：single photon source EPPS: entangled photon pair source
1
23
1 (H 2
2
H
3
V
2
V 3)
123
完全保密传递信息的原理
1 ( ( H 3 V 3 ) 12 2 ( H 3 V 3 )
2.1纠缠光子对的制备方法
符合测量和HOM干涉
符合测量基于纠缠 光子的同时性
BS a b
1 1 i ( c i d ) ( d i c ) ( c c d d ) 2 2 2
2.1纠缠光子对的制备方法
2 p i s
SFWM纠缠源
为了抑制拉曼效应，通常将零色散波长在泵浦波长附近的色散 位移光纤(DSF)放置在液氮中进行冷却 另外因为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率与泵浦光的频率相 近，故通常利用精细空间光栅进行滤波
SPDC：
1 2 3
1 22 1 2
Kwiat P G, Mattle K, Weinfurter H, et al. New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs[J]. Physical Review Letters, 1995, 75(24): 4337.
Bell基
1背景知识
量子信息载体
物理实体
离散光子
属性
偏振态 光子个数 光子间相位差 正交振幅
0
1
水平偏振 无光子 π/2 压缩 压缩 自旋向上
垂直偏振 单个光子 π 反压缩 反压缩 自旋向下
连续光场 电子
正交位相 电子自旋
原子核
超导线路 量子点
核自旋
电流通量 量子点自旋
自旋向上
顺时针电流 自旋向上
Thank you for your attention
Li X, Voss P L, Sharping J E, et al. Optical-fiber source of polarization-entangled photons in the 1550 nm telecom band[J]. Physical Review Letters, 2005, 94(5): 053601.
自旋向下
逆时针电流 自旋向下
尹浩，韩阳.量子通信原理与技术[M]. 电 子工业出版社, 2013:46
目录
研究背景 基本理论以及应用
纠缠光子对的制备方法 量子隐形传态
现状与发展前景
2.1纠缠光子对的制备方法
Ⅱ类SPDC
空间叠加式SPDC
Ⅰ类SPDC
Kwiat P G, Waks E, White A G, et al. Ultrabright source of polarizationentangled photons[J]. Physical Review A, 1999, 60(2): R773.
1 2
2.1纠缠光子对的制备方法
利用M-Z干涉仪结构提高Ⅰ类 SPDC效率
改进的Ⅰ类SPDC
Kim Y H, Kulik S P, Shih Y. High-intensity pulsed source of space-time and polarization double-entangled photon pairs[J]. Physical Review A, 2000, 62(1): 011802.
W
量子纠缠
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1 r 2
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真正的量子信息载体不可能是手套， 那是什么呢？
1背景知识
纠缠态的物理学定义
1
1 (0 2
1 B 1 A 1 B) A
2
1 (0 2
A
0
B
1 A 1 B)
可分离
1
1 (0 2
A
不可分离态
B
1 A) 1
纠缠态
1 ( 0 A 0 B 1 A 1 B) 2 1 ( 0 A 1 B 1 A 0 B) 2
目录
研究背景 方案介绍 结 论
26
3 结论
量子信息学利用微观粒子作为载体，凭借量子力学所特有的不同于宏观世界 物理规律的一些特殊性质，可以完成一些经典计算和经典通信难以实现或无法 实现的功能。如量子计算(quantum computation)利用量子力学的基本原理使得其 运算能力远超于经典计算机，其使用的量子比特(qubit)可以处于”0”和”1”的任 意叠加态上，因此其计算耗费时间只随计算复杂程度呈多项式上升，而不是经 典计算机中的呈指数上升；同样因为量子比特的叠加特性，量子存储(quantum memory)凭借其惊人的存储容量也引起了广泛的关注；随着量子计算的发展，传 统的基于质因子分解RSA加密技术已经不能保证绝对安全，基于量子计算机的 Shor量子算法可以轻易的破解这种密码，因此量子密码学也成为一门亟待研究 的学科，其中相对成熟的量子密钥分发技术(QKD)就可以从理论上保证通信的绝 对安全性。除此之外，量子精密测量(quantum metrology)在量子力学理论支持下 提供更精确的测量，量子光刻(quantum lithography)能制造装配比光波长量级小 得多的器件，这些量子信息的应用已经渗透到各行各业。
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( H
3
V 3)
3
( H
V 3 ))
Zukowski M, Zeilinger A, Horne M A, et al. " Event-ready-detectors" Bell experiment via entanglement swapping[J]. Physical Review Letters, 1993, 71(26): 4287-4290.
2.1纠缠光子对的制备方法
环式QPM纠缠源
许金时. 光子纠缠态制备, 应用及演化的实验研究[D]. 中国科学技术大学, 2009.
2.1纠缠光子对的制备方法
基于波导的SPDC
效率更高，光纤结构更易操控，波段可选在近 红外通讯波段，多用PPLN,PPKTP
Zhong T, Wong F N, Roberts T D, et al. High performance photon-pair source based on a fiber-coupled periodically poled KTiOPO 4 waveguide[J]. Optics express, 2009, 17(14): 12019-12030.
1 1 H V 2 2
经过检偏器P（量子测量）后有一半光子坍缩到 H 态， 另一半光子坍缩到 V 态。最终会有一半光子通过检偏器， 宏观上表现为 对于单个光子，它处于水平偏振和垂直偏振的量子叠加态。 而大量这样光子的宏观表现就是45°偏振光。而检偏过程 就是量子坍缩过程。
1背景知识
小明和老王分别乘坐两艘飞船向 半人马座α星和M78星云进发,出 发前分别收到了一个黑盒子,每个 盒子中装有一对手套中的一支。
1背景知识
小明在星际旅行出发前收到一 个黑盒子，盒子里装了一只手 套。用量子力学的观点解释， 在不打开盒子的情况下，盒子 中的手套处于如下状态：
1 1 left right 2 2
手套例子
1、如果我们打开盒子会发生什么？ 2、手套和原子，到底有什么区别？
1背景知识
测量与量子坍缩
小明打开盒子后，有一半的概率分别得到左手手套 和右手手套。随后原来手套所处的
光量子信息科学简介
谭天弈 2016/6/23
光通信材料研究所
目录
背景知识 基本理论以及应用 现状与发展前景
1背景知识
量子态用dirac符号描述： 定态：
量子叠加态
En E3 ... ...
E1
E2 E1
叠加态：
Байду номын сангаас
p1
E1
p2
E2
... pn
En
如果我们不对这个原子的能量进行测量，那么这个原子 将同时处于这n个能量状态上，简单地说，就是分身成 了n个能量不同的原子。
变为
left
1 1 left right 2 2
或
right
这个过程即为 同样的，对于处于能量叠加态的原子，测量后也会 坍缩到一个确定的能量。一般来说，测得基态的概 率最大。
1背景知识
V
光子偏振态的叠加
P H
对于一束45°偏振的线偏振光， 其中每一个光子的偏振态可以描 述为：
2.2 量子隐形传态
1 H 1 V
BSM：Bell state measurement SPS：single photon source EPPS: entangled photon pair source
1
23
1 (H 2
2
H
3
V
2
V 3)
123
完全保密传递信息的原理
1 ( ( H 3 V 3 ) 12 2 ( H 3 V 3 )
2.1纠缠光子对的制备方法
符合测量和HOM干涉
符合测量基于纠缠 光子的同时性
BS a b
1 1 i ( c i d ) ( d i c ) ( c c d d ) 2 2 2
2.1纠缠光子对的制备方法
2 p i s
SFWM纠缠源
为了抑制拉曼效应，通常将零色散波长在泵浦波长附近的色散 位移光纤(DSF)放置在液氮中进行冷却 另外因为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率与泵浦光的频率相 近，故通常利用精细空间光栅进行滤波
SPDC：
1 2 3
1 22 1 2
Kwiat P G, Mattle K, Weinfurter H, et al. New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs[J]. Physical Review Letters, 1995, 75(24): 4337.
Bell基
1背景知识
量子信息载体
物理实体
离散光子
属性
偏振态 光子个数 光子间相位差 正交振幅
0
1
水平偏振 无光子 π/2 压缩 压缩 自旋向上
垂直偏振 单个光子 π 反压缩 反压缩 自旋向下
连续光场 电子
正交位相 电子自旋
原子核
超导线路 量子点
核自旋
电流通量 量子点自旋
自旋向上
顺时针电流 自旋向上
Thank you for your attention
Li X, Voss P L, Sharping J E, et al. Optical-fiber source of polarization-entangled photons in the 1550 nm telecom band[J]. Physical Review Letters, 2005, 94(5): 053601.
自旋向下
逆时针电流 自旋向下
尹浩，韩阳.量子通信原理与技术[M]. 电 子工业出版社, 2013:46
目录
研究背景 基本理论以及应用
纠缠光子对的制备方法 量子隐形传态
现状与发展前景
2.1纠缠光子对的制备方法
Ⅱ类SPDC
空间叠加式SPDC
Ⅰ类SPDC
Kwiat P G, Waks E, White A G, et al. Ultrabright source of polarizationentangled photons[J]. Physical Review A, 1999, 60(2): R773.
1 2
2.1纠缠光子对的制备方法
利用M-Z干涉仪结构提高Ⅰ类 SPDC效率
改进的Ⅰ类SPDC
Kim Y H, Kulik S P, Shih Y. High-intensity pulsed source of space-time and polarization double-entangled photon pairs[J]. Physical Review A, 2000, 62(1): 011802.