光量子纠缠态的应用
2004年9月
第19卷 第3期山东师范大学学报(自然科学版)Journal of Shandong Normal University(Natural Science)Sep.2004Vol.19No.3
光量子纠缠态的应用*
王素梅 张庆刚 张怿慈
(山东师范大学物理与电子科学学院,250014,济南M 第一作者26岁,女,硕士生)
摘要 介绍了目前对光量子纠缠态应用的研究状况,成功的将自发参量下转换产生的纠缠光子对应用于产生真随机数.在
数据采集过程中采用了符合测量技术,对采集的多组随机序列采用国际上比较通用的随机性测试程序)ENT 进行检验,结果表明数据的随机性很好.
关键词 量子纠缠态; 自发参量下转换; 真随机数
中图分类号 O 439
近年来,量子纠缠态的研究吸引着人们极大的兴趣,不仅因其在基本量子物理研究中有着重要的意义,更因其是量子信息与量子计算的基本载体.对光量子纠缠态的研究也是量子光学研究的一个热点.
1 光量子纠缠态的产生
目前产生光量子纠缠态比较普遍的方法是通过激光泵浦非线性光学晶体的自发参量下转换(spontaneous parametric down conversion (SPDC))过程,该过程产生的孪生光子对是很好的双粒子纠缠源.泵浦光的一个光子能在适当条件下在某些非线性晶体中会同时产生一对下转换光子.这个过程遵循能量守恒和动量守恒,即:
X p =X s +X i ,
(1)
J _p =J _s +J _i .
(2)其中X 和J _分别是光子频率和波矢,下标p,s,i 分别对应于泵浦光(pump)和下转换产生的一对信号光
(signal)和闲置光(idler)光子,如图1所示,下转换的光有各种波长,成锥体分布,图1右侧是在垂直于泵浦光的平面上下转换参量光的分布,信号光子和闲置光子在空间上是一一对应的,一个光子的探测不仅表明了另一光子的存在,而且诸如发射时间、波长、方向和偏振方向等特性都可以以一个光子的探测而获知另一光子的特性.
图1 参量下转换产生纠缠光子对
2 光量子纠缠态的应用
2.1 综 述 光量子纠缠态在实验上的成功制备推动了它在量子信息领域的应用.1997年奥地利的Zeilinger 小组用SPDC 纠缠态光子实现了统计意义上的量子隐形传态[1];Shih 小组经过多年的努力,利用光学晶体中的非线性过程能够辨别所有的Bell 基,首次实现了完全的量子远程传态[2].量子密码通讯是量子信息科学研究的又一重要课题,基于纠缠光子的量子密钥分配方案首先由Ekert 于1991年提出[3]
,奥地利的Zeilinger 小组[4]、瑞士的Gisin 小组[5]和美国的K wiat 小组[6]三个实验小组几乎同时做了纠缠光子的量子密码通讯演示实验.量子光学干涉仪是光量子纠缠态的另一个巨大应用,基于双光子的量子干涉有可能把光
*国家自然科学基金资助项目(101174046;19874040)收稿日期:2004-03-04
学干涉仪的灵敏度提高好几个数量级[7].最近提出的量子光刻(quantum lithography)方案为量子纠缠态摆脱基础研究范畴走向实用化开辟了前景,量子光刻的理论论证和演示实验表明,利用n 个纠缠光子的光源,光刻分辨率将是用普通光源的n 倍.光量子纠缠态在计量学领域也有着重要作用,比如光探测器的标定以及红外辐射的绝对测量.我们实验小组将SPDC 过程产生的纠缠光子对成功的应用于真随机数的产生.
2.2 利用纠缠光子对产生真随机数 在现代的信息科学技术中,随机数的应用非常广泛,它是多种密码学算法和协议的重要组成部分.如:密钥生成,数字签名和各种序列密码算法等等.很多情况下,随机序列的随机性决定了整个系统的安全性.随机数发生器可分为真随机序列发生器和伪随机序列发生器.伪随机序列发生器一般基于一个复杂的、确定的算法,产生一个周期很长的周期性序列,这种随机数发生器易于用硬件或软件来实现,但如果对方掌握了一个同样的发生器和主要的拷贝,他们就能产生完全相同的密钥,密码通信就难以保证其保密性.设计一个实用的、高速率的真随机发生器,首先必须选择一种随机现象作为随机源,量子力学的理论告诉我们,量子力学过程具有内在的真随机性.如图2所示:单光子通过半透半反分束器时,透射进入探测器1和反射进入探测器2的可能性是均等的.也就是说,根据单光子的路径的随机选择,其经过50/50%分束器后,将在反射和透射两条路径中随机选择其一,连续记录两个探测器的结果,就可以得到一串随机数序列
.
图2 单光子通过半透半反分束器时路径选择的随机性根据上述原理,要获得真随机数很重
要的条件是有良好的单光子源.在以前获
得随机数的各种方案中,普遍采用衰减脉
冲激光光场来获得单光子源,这种方法实
际上很难保证在光子计数上始终保持单光
子性.为了解决这个问题,我们提出了基于
偏振纠缠光子对的真随机数源的方案.我
们试图用参量下转换所产生的双光子纠缠
态中的两路光场之间的一一对应的关联
性,用其中一路来触发另外一路,使得系统只记录以单光子进入随机数发生器的数据,具体方案参见图3.
泵浦光(波长441.6nm)经过非线性BBO 晶体时,通过ò
类参量下转换产生简并的纠缠光子对(波长均为883.2nm),
偏振方向相互垂直的信号光(o 光)和闲置光(e 光)经过一偏
振分束器(PBS)分成两路,将其中一路作为触发信号,另外一
路输入一50%/50%分束器等概率的分成两路,三路最后都
用单光子探测器(Det.A,Det.B,Det.C)接收,简称为A 路、B
路和C 路.从探测器输出的信号各经过一鉴别放大器(DiscA,
DiscB,DiscC)放大鉴别后,将A 路信号分成两路,通过符合逻
辑单元分别测A 路与B 路及A 路与C 路的符合,逻辑单元输
出T TL 信号,用计算机并行口采集.A 路与B 路有符合并且A
路与C 路无符合则输出就记为/10,否则输出记为/00,这样就
获得原
图3 利用纠缠光子对产生随机数的实验装置
始的随机序列.由于B 路和C 路的光路损耗以及B 、C 探测器的效率并不完全一致,50/50%分束器也不会绝对完美,最精密的调节也不可能使所采到的数据中/00和/10完全相等.我们采用由von Neumann 提出的处理方法来消除这种不均衡性,使处理后构成的新数列中/00和/10的概率相等.对所采的多组数据采用国际上比较常用的随机性测试程序)EN T 进行检验,检验指标主要有:熵,X 2检验,算术平均数,Monte Carlo 方法计算P 值以及序列相关系数.表明我们数据的随机性很好.典型的测试结果如下:
Entropy =0.999995bits per bit.Optimum compression w ould reduce the size of this 122912bit file by 026山东师范大学学报(自然科学版) 第19卷
percent.Chi square distribution for 122912samples is 0.92,and randomly w ould exceed this value 50.00percent of the times.Arithmetic mean value of data bits is 0.5014(0.5=random).M onte Carlo value for Pi is 3.125000000(error 0.53percent).Serial correlation coefficient is 0.003279(totally uncorrelated =0.0).
相比于用衰减的脉冲激光作光源产生随机数,由参量下转换过程产生的纠缠光子对作光源,单光子性能更好.由于光路中的损耗很大,探测器对所选用的波长(883.2nm)的效率不高,使随机数产生的速率不高,只有200个/s 左右,但通过降低光路损耗,选择合适波长和提高探测器的效率,随机数产生速率的提高也有很大的空间.
3 参考文献
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APPLICATION OF PHOTON QUANTUM ENTANGLED STATE
Wang Sumei Z hang Qinggang Zhang Yici
(College of Physics and Electronics,Shandong Norm al Un i versity,250014,Jinan,China )
Abstr act The recent development of the photon quantum entanglement is briefly revie wed.Quantum entangled photon pairs are applied to generate true random numbers successfully.Coincidence measurement is employed to obtain the bit sequences,which are shown on fully satisfy the standard tests for randomness.
Key wor ds quantum entangled state; spontaneous parametric dow n conversion; true random numbers 27第3期王素梅等:光量子纠缠态的应用
发光二极管产生的不可区分纠缠光子
发光二极管产生的不可区分纠缠态光子摘要线性光学量子计算机依赖于逻辑光量子和几乎可确定的操作性纠缠二者之间的干涉。在这里，我们测量由嵌入式发光二极管中的量子点发射的光子的干涉和纠缠。我们发现同时产生的成对纠缠态光子，并且和随后产生的光子无法区分开来。我们测量纠缠态保真度为0.87，双光子干涉的可见度为0.60±0.05被检测抖动所限制的可见度可以通过对光腔的设计加以提高。 一个有前景的设计，打造一台可扩展的量子计算机，用单光子进行量子位编码，并且采用光学元器件如带有光电检测器的光束分离器使光子之间相互作用实现概率量子门。为了处理一个比传统数学逻辑更有优势的量子算法需要大量的量子位和门操作，这使得概率门不切实际。然而，通过使用纠缠态光子，概率量子门成功的概率可以无限接近使用前面提到的技术。 除了光子之间的纠缠态，光子量子位之间的相互作用还依赖于双光子之间的干涉，因此单个光子量子位必须是不可区分的。通过链接多对纠缠态的光子这种方式，可能产生更多的成对纠缠态。纠缠态光的源参量向下转换已经被证明通常在输出光束的光谱滤波器的辅助下可以产生纠缠态光子，并且已经在小规模量子逻辑实验中被采用。然而，向下转换的过程的概率性将使零对或者多对光子服从下面的泊松分布，这将导致量子算法错误并使这些源不适合量子计算中的不确定性。 相反，半导体量子点的光如单光子和纠缠态光子对的量子状态从根本上不会产生泊松分布。不可区分的单光子之间的相互作用已经讲过，但是还没有讲过纠缠态光子的不可分辨性。至关重要的是从量子点发射的纠缠态光可以电控制或电产生一些目前无法用于其它非泊松量子光源，如那些基于原子跃迁产生的量子光源。这可能使许多器件集成到单个的电压操作芯片上，这在有望实现大的量子逻辑电路时，具有十分重要的现实优势。 然而，直到现在，从非泊松光源出来的光子之间的相关性和相互作用已经只在光子对间被观察到了。在这里我们在一个量子点的两个辐射衰变周期产生多达
受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用
项目名称：受限空间中光与超冷原子分子量子态的 调控及其应用 首席科学家：贾锁堂山西大学 起止年限：2012.1至2016.8 依托部门：山西省科技厅
一、关键科学问题及研究内容 拟解决的关键科学问题： 超冷原子分子作为一种理想的介质已经被广泛用于物质与场的相互作用，原子/分子量子态是精密光谱、量子信息以及超高灵敏测量的重要量子资源。为实现受限空间中光场与超冷原子分子相互作用所产生的新型量子态的操控与应用，拟解决的关键科学问题如下： 1)在超冷条件下，从单原子到原子系综的量子态（包括纠缠态、相干叠加态、自旋压缩态等）制备和操控的新原理、新方法。中性原子的冷却及长时间的有效控制；偶极阱中单粒子的高效装载以及在特定环境（如微光学阱、微腔）中单粒子的外态和内态的控制；基于冷原子系综的自旋压缩态制备和应用及量子非破坏性测量；失谐偶极光阱，制备高密度超低温冷原子团；利用量子非破坏性测量并实现冷原子自旋压缩态、冷原子自旋压缩、量子Fisher信息及量子关联。 2)受限空间中光与原子/分子相互作用（包括强耦合）的物理实现及其新奇量子效应。微型光学阱和微光学腔的构建和控制的新方法；基于强耦合真空受激拉曼绝热输运过程的量子态的制备；耗散过程对量子态制备和操控的影响以及克服退相干的新途径；极化费米子超流体系、玻色-费米混合体系、组错晶格的相互作用与玻色体系等的新奇量子态;BCS-BEC渡越的物理机制。 3)超冷极性分子量子气体的高效制备和分子量子态操控的新机制。超冷极性分子及相干叠加态和纠缠态的制备；利用外场有效调控极性分子之间的偶极—偶极相互作用以及超冷极性分子与单光子的强耦合作用；实现高保真度的量子信息存储以及精密光谱测量。 4）精密光谱、量子计量、量子测量(包括量子非破坏性测量等)和量子信息中的新原理和新技术。发展基于噪声微扰的新型精密光谱方法，进行原子系统中磁场的精密测量；基于光腔和电磁诱导透明（EIT）联合作用以及冷原子系综的自旋压缩态的制备，实现突破标准量子极限的精密测量，提高量子计量中参数估计的精度；进行超冷极性分子的超高分辨光谱测量，利用分子纠缠态实现量子逻辑门；利用受限空间中光与原子分子强耦合相互作用产生的新型量子态，实现原子的量子寄存、可控单光子源以及量子节点。
实验题目量子纠缠实验(近代物理实验)
实验题目：量子纠缠实验（近代物理实验） 王合英孙文博陈宜保葛惟昆 清华大学实验物理教学中心 【实验目的】 通过本实验，不仅让学生更深刻地理解量子力学与非线性光学的相关理论知识，同时使学生在实验技能、科学素养、工作作风等各方面得到全面的培养与训练。由于本实验涉及的理论知识和实验技术范围广、可做的实验内容多，特别鼓励学生在实验过程中大胆提出自己的思路，以激发学生的创新思维，提高学生的综合实验能力。具体来说，本实验的目的可以概括为： 1.了解量子纠缠态的概念、性质及其在量子信息领域的应用，进而深刻理解量 子力学的本质与精髓。 2.学习量子通讯的基本原理和过程，以及与量子通讯相关的一些基本概念和知 识。 3.学习光子纠缠源的性质及产生原理，学习相关的非线性光学的知识，如自 发参量放大与振荡、相位匹配、自发参量下转换、非线性晶体的性质等，熟练掌握光学实验的光路调节和各种光学元件的调整技术。 4.了解光纤传输和耦合的理论与技术，学习单光子计数器的工作原理和单光子
计数技术。 5.学习对光子纠缠源产生的光子纠缠对比度的符合测量方法，并通过测量验算 Bell不等式。 【实验内容】 核心内容：本实验涉及量子力学基本原理和量子通讯技术最基础和核心的内容，不仅包含丰富的物理理论知识，更是各种实验技术特别是光学技术的 综合，因此要求学生在做实验时既要有清楚的物理图像，又具有比较 强的动手操作能力；既要有严谨细致的工作作风，又要有创新精神。基本要求：学生有较好的光学和量子力学的理论基础，比较强的理论自学能力和比较强的光路调节能力，做实验要认真、有耐心、胆大细心。由于做 本实验所需时间较长，要求学生做实验的时间能比较集中。 基础部分： 1.激光器性能判定 2.BBO晶体主光轴校订 3.双光子偏振纠缠态的制备和测量 4.爱因斯坦佯谬和Bell不等式的实验测量 研究型部分： 1.学生在上述实验的基础上，查找资料，自己设计另一种光路实现双光子纠缠 态的制备和测量，设计光路时可以用到其它的非线性光学元件，如PBS等。 并对两种方法的优缺点对比分析。 2.纠缠双光子的干涉实验。对比度曲线反映了两个光子的偏振关系，但此处的 符合测量并不能直接反映两个光子的相干性质，学生可以尝试设计一种关于纠缠双光子的相干性的实验。 【实验原理】
量子纠缠及其在量子通信中的应用
量子纠缠及其在量子通信中的应用 吴家燕物理学专业15346036 摘要 量子理论为我们描绘了一幅与我们容易感知的由经典力学统治的现实世界有大不同的量子世界图象，而量子纠缠是量子世界特有的现象，在经典世界中没有对应。纠缠态的制备和各种测量仍然是现在前沿研究的一个热点话题。这小小的量子纠缠正在当今世界中，从量子密码到完全保密的量子通信，从量子计算机到未来的量子互联网，给人类带来新的希望。 关键词 量子纠缠量子比特量子隐形量子密钥量子通信 正文 量子纠缠现象 史上最怪、最不合理、最疯狂、最荒谬的量子力学预测便是“量子纠缠”。量子纠缠是一种理论性的预测，它是从量子力学的方程式中得来的。如果两个粒子的距离够近，它们可以变成纠缠状态而使某些性质连接。出乎意料的是，量子力学表明，即便你将这两个粒子分开，让它们以反方向运动，它们依旧无法摆脱纠缠态。 以电子的“自旋”作例子，电子的自旋直到你观测它的那一刻才能决定，当你观测它时，就会发现它不是顺时针转就是逆时针转。假设有两个互相纠缠的电子对，当其中一个顺时针转时，另一个就逆时针转，反之亦然。不过奇怪之处是它们并没有真正连接在一起。对量子理论坚信不疑的波尔和他的同事们相信，量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态，即便它们一个在地球，一个在月球，没有传输线相连，如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转，那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不止是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。两个粒子的这种怪异的远距离连接，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。 波尔所拥护的量子力学方程式表明，相互纠缠的粒子即使相距很远，也可以互相连接。而克劳泽与阿斯佩的实验证明了量子力学的方程是正确的，纠缠是真实的，粒子可以跨越空间连接——对其一进行测量，确实可以瞬间影响到它远方的同伴，仿佛跨越了空间限制。 量子纠缠态特性 经典信息的基本单元是比特（bit），它是一个两态系统，可制备为两个可识别状态中的一个，例如：0或1。量子信息的基本单元称为量子比特（qubit），它也是一个两态系统，且是两个线性独立的态。量子比特的两个可能状态可表示为：|0>和|1>。量子比特和比特之间的最大区别在于量子比特还可以处在|0>和|1>之间的叠加态（superposition）上，因此量子比特的状态可看成是二维复向量空间中的单位向量。比特可以看成是量子比特的特例。 信息用量子态来表示便实现了信息的“量子化”，这是量子信息学的出发点。信息一旦量子化，量子力学特性便成为信息处理过程的物理基础：信息的演化遵从薛定谔方程，信息的传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理和计算是对量子态的幺正变换，信息提取则是对量子系统实行量子测量。
光学参量过程的量子特性与量子测量研究
光学参量过程的量子特性与量子测量研究 【摘要】：在近二十年蓬勃发展起来的量子信息科学中,以非经典光场为研究对象的量子光学,以其研究对象的独特性倍受物理学家的关注,得到了飞速的发展。理论和实验证明,包括压缩真空场、强度量子关联光场、光子数压缩态光场、量子纠缠态光场等在内的非经典光场,在量子测量和量子通讯中发挥着重要的作用。被广泛应用在量子离物传态、量子非破坏测量、量子密集编码、量子纠缠交换等研究领域中。量子信息处理系统按所利用的量子变量的本征态具有分离谱或是连续谱结构,划分为分离变量与连续变量两大类。由二维或一般而言由可数维Hilbert空间表征的量子变量,称为分离变量。由无限维Hilbert 空间表征的具有连续谱的量子变量称为连续变量。连续变量和分离变量量子信息各具特色,有着不同应用前景。量子信息科学的研究一般是从分离变量开始,随后被引入到连续变量领域。对非经典光场尤其对量子纠缠态光场的制备与操控是量子信息科学中的一个重要课题,它不仅可用于检验量子力学基本原理,同时为实现量子测量与量子通信提供了重要的物理基础。应用纠缠人们可以完成经典物理不可能完成的量子测量与量子通讯领域的研究工作。进行多组份纠缠态光场的研究在建立量子通讯网络工作中显得尤为重要。利用多组份纠缠可以开展量子态的离物传态、可控量子克隆、可控密集编码及不同量子节点之间的量子信息传输等方面的工作。并且在量子信息领域逐渐发挥其更重要的作用本文的研究工作是以连续变量量子纠缠态的制备与
测量为主要工具展开的,其主要内容如下:1.综述了产生压缩态和纠缠态光场的物理过程,并分别对阈值以下产生的耦合模压缩也即双模量子纠缠和阈值以上产生的孪生光束强度差进行了介绍。2.阐述了利用两对完全独立的孪生光束进行强度量子关联传递的实验原理;实验上使得两束完全独立且不同频率的光束产生了强度量子关联,完成了两对完全独立的孪生光束间的关联传递。3.实验探测了运转于阈值之上的非简并光学参量振荡腔产生的孪生光束在时域内的关联特性。4.提出了利用二次谐波过程产生连续变量三组份纠缠光场的理论方案,利用三组份纠缠态不可分判据在理论上证明了两个反射基频场与产生的倍频场间的三组份纠缠,分析了阈值以下及阈值以上的三组份纠缠特性,讨论了纠缠度与腔的归一化频率及泵浦参数的关系。5.采用半经典方法讨论了经过调制以后的相干光场的特性,实验上采用时域平衡零拍探测技术,通过量子层析术,获得了加调制的相干光场的Wigner 函数,利用数据采集和计算机数据处理的方法,进行了量子态的重构。在这些研究工作中,属创新性的工作有:1.对运转于阈值以上的非简并光学参量振荡腔产生的孪生光束进行了时域内强度量子关联的测量。 2.在理论上提出了利用二次谐波过程产生连续变量双色三组份纠缠态的方案,得到的输出光场具有不同的波长,并且分析了其实验可行性。 3.对加调制的相干光场进行了量子态的重构,通过解调使调制信号从重构的Wigner函数中体现出来。【关键词】：光学参量振荡器孪生光束连续变量三组份纠缠态二类倍频
量子纠缠论文：Negativity的新定义及其应用
量子纠缠论文：Negativity的新定义及其应用 【中文摘要】量子纠缠是量子力学基本假设——态叠加原理的重要结果,是区分量子系统和经典系统的最重要的特征。量子纠缠是量子信息学中一个非常关键的资源,并被广泛应用到量子信息处理任务中,例如,量子通讯和量子计算等等。纠缠的量化在当今量子信息学的中受到了广泛的关注,虽然研究人员推导出各种各样的纠缠度量和纠缠判据,但是每种方法都有自身的局限性。在低维两体情况下,其纠缠的量化已经基本解决,但是关于混态的量子纠缠量化一直是研究人员探究的问题。在本文中,我们根据两体纯态Negativity的变形定义,利用构建凸顶法得到两体混态纠缠的一个解析的下限。在实验中,这个下限结果可以根据单一投影算符或者局域观测量直接得到,而不需要同时拥有多个量子态的副本。在isotropic states中,我们的下限结果可以用来作为精确度量量子态的纠缠。叠加态的纠缠是由Linden 等人第一次论述的,并给出了叠加态的上限,这个上限是由各子系统 的约化密度矩阵的Neumann熵构成的。之后,针对这个相同的问题, 很多研究人员根据不同的纠缠度量得到的不同的叠加态纠缠的界限,但是这些界限通常具有不同的紧致性。我们根据一个Negativity的变形定义给出了... 【英文摘要】Quantum entanglement is a joint consequence of the superposition principle which is one of the essence supposed in quantum mechanics. It is an important property that
量子信息及其应用的研究进展
量子信息及其应用的研究进展 摘要：量子信息论是经典信息论与量子力学相结合的新兴交叉学科。本文综述了量子信息领域的研究进展。包括了为人们所熟知的量子通信与量子计算领域的进展，本文以介绍量子信息论的基本理论框架为主, 同时也介绍了量子信息领域的实验研究进展。 关键词：量子信息、量子通信、量子计算、研究进展 1、引言 自19世纪进入通信时代以来, 人们就梦想着像光速一样( 甚至比光速更快)的通信方式. 在这种通信方式下,信息的传递不再通过信息载体( 如电磁波) 的直接传输,也不再受通信双方之间空间距离的限制, 而且不存在任何传输延时, 它是一种真正的实时通信. 科学家们试图利用量子非效应或量子效应来实现这种通信方式, 这种通信方式被称为量子通信.与成熟的通信技术相比, 量子通信具有巨大的优越性, 已成为国内外研究的热点.近年来在理论和实践上均已取得了重要的突破,引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视. 自1993年美国IBM的研究人员提出的量子通信理论以来, 美国国家科学基金会、美国国防部等部门正在着手研究此项技术, 欧盟从1999年开始研究, 日本也2001年将量子通信纳入十年计划. 我国中国科学院、国防科技大学、山西大学在量子通信领域也做了大量的工作, 并取得了一定的成果. 本文对量子通信及其发展前景进行探讨。 2、量子信息的基础理论 现有的经典信息以比特作为信息单元, 从物理角度讲, 比特是个两态系统, 它可以制备为两个可识别状态中的一个, 如是或非, 真或假, 0或1。在数字计算机中电容器平板之间的电压可表示信息比特, 有电荷代表1, 无电荷代表0。量子信息的单元称为量子比特( qubit ) , 它是两个逻辑态的叠加态| U> = c 0 | 0 > + c 1 | 1 > , | c 0 |2+ | c1 |2= 1 ( 1 )经典比特可以看成量子比特的特例( c0 = 0 或 c 1= 1 ) 。用量子态来表示信息是量子信息的出发点, 有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理, 信息的演变遵从薛定谔方程, 信息传输就是量子态在量子通道中的传送, 信息处理( 计算) 是量子态的幺正变换, 信息提取便是对量子系统实行量子测量。在实验中任何两态的量子系统都可以用来制备成量子比特, 常见的有: 光子的正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式等。信息一旦量子化, 量子力学的特性便成为量子信息的物理基础, 其主要的有: 1) 量子纠缠: N ( 大于1) 的量子比特可以处于量子纠缠态, 子系统的局域状态不是相
量子纠缠态的制备
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 Preparation Abs trac t: T he q uantum entanglement is o ne o f the most impo rtant subject, and also the supernatural part of q uantum informatio n sc ienc e. As an important quantum resource, the entangled states are p laying the key ro le in many sorts of quantum informatio n process, for examp le, quantum t e le p o r t a t io n,q u a n t u m d e n s e c o d in g,a n d q u a n t u m k e y d is t- rib utio n as we ll as q uantum co mp utatio n acc elerat io n, the q uantum correct-erro r, guard-error and so on. In q uantum informatio n sc ience, informatio n process ing cannot leave the quantum state and it’s the ev- olution. But quantum entanglement cond itio n is witho ut a doubt in each kind o f q uantum s tate the mos t imp o rtant o ne kind. It may us e in examining the q uantum mec hanics the b as ic p rinc ip le, mo reo ver also realizes the quantum correspondence important channel. T herefore, the pes tering co nd itio n p rep aratio n and the op eratio n app ears esp ec ia lly impo rtantly, artic le brief int roductio n quantum entanglement cond ition definit io n, q uantum entanglement co nd it io n meas ure and c lass ified, q u a n t u m e n t a n g le me n t c o nd it io n p r ep a r a t io n, a nd in t r o d u c t io 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
量子力学在现实中的应用
量子力学在现实中的应用 在过去的30年中，初级的量子器件诸如单电子记忆电池和光信号处理系统变得异常普遍，纳米级和原子级的微元件更易加工。如今，量子力学更被应用在绝大多数工程实践中，如晶体管、激光器、量子光学、分子器件等。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。 一、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。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。能耗来源于计算过程中的不可逆操作。 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。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无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。 在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。 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。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。 二、量子通信 量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。 利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个
量子纠缠态的制备方案(张强)
量子纠缠态的制备方案 姓名：张强 安徽大学物理与材料科学学院2001级应用物理 导师∶叶柳 摘要什么是纠缠态，纠缠态具有那些特性，又如何去制备纠缠态，本文将围绕这几方面的问题做出讨论。在第一部分中我们将给出纠缠态的定义和度量，研究纠缠态的一些特性,第二部分中我们将系统介绍目前理论上利用自发参量下转换,通过腔量子电动力学和离子阱制备纠缠态的各种方案，以及在实验上的进展。 关键词量子信息，纠缠态，量子隐形传态 Preparation of entangled states in quantum information Name Zhang Qiang Applied Physics 2001,School of Physics and Material Science,Anhui University Tu t o r Ye Li u Abstract What are entangled states, which distinctive qualities do entangled states have and how to prepare entangled states? In this thesis we discuss these some aspects in detail and our main research work is outlined as follows: In section 1 we first give a definition of entanglement and illustrate some distinctive qualities of entangled states, In section 2 we show many existing different schemes for preparation of entangled states by spontaneous parametric down conversation, cavity quantum electrodynamics and ion traps. Key words quantum information, entangled states, quantum teleportation