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

摘要:给出了量子纠缠态的概念,分析了量子隐形传态的原理,给出了粒子隐形传态的试验方案。

关键词:量子纠缠量子通信量子隐形传态

早在1935年Einstein、Podolsky、Rosen共同发表的EPR佯谬论文中涉及到了纠缠态[1]。20世纪90年代,基于量子纠缠理论的量子信息科学悄然兴起,近十年来,量子通信领域的研究取得了一些列重要成果,通信科学正在从经典通信向量子通信进行跨越。不同于经典通信,量子通信是以量子纠缠态作为载体进行信息的传递。经典信息可以自由复制,只能沿发送者至接收者在时间上前向传输,纠缠态不能被复制,却能连接时空中的任意两点。利用量子纠缠特性,Bennet[2]等人提出了量子隐形传态的方案。本文在量子纠缠的基础上对量子隐形传态进行了详细的探讨。

1 量子纠缠态的基本知识

量子纠缠是多子系统量子系综中的一种奇妙现象,即任意子系统的测量值无法独立于其他子系统。对于由A和B两个子系统构成的复合系统为例,若其量子态不能表示为子系统态的直积形式,即

,则称为纠缠态。

2 量子隐形传态

2.1 量子隐形传态的进展

在科幻电影或神话小说中,常常有这样的场面:某人突然在某地消失掉,其后却在别的地方莫明其妙地显现出来。

1997年12月奥地利Innsbruck的Zeilinger小组在国际上著名的刊物《Nature》上报道了世界上第一个量子隐形传态的实验结果,此项研究成果轰动了学术界和欧美的新闻界。1998年初意大利Rome的Martini小组在《Phys.Rev.Lett.》上报道了另外一个成功的量子隐形传态实验结果,在2004年7月,中国科大的潘建伟小组在《Nature》上报道了五粒子纠缠态以及终端开放的量子态隐形传态的实验, 上述实验都证明了Bennett等人提出的分离变量的量子隐形传态的方案。

2.2 量子隐形传态原理及方案

Bennette等人的方案如图1所示。

具体操作步骤如下:

(1)甲对粒子1和2进行Bell基联合测量,测量结果等概率得到每个Bell基。

(2)甲通过经典信道将结果告知乙。

(3)乙根据甲的结果,对粒子3进行幺正变换,实现量子态的转移。

2.3 量子隐形传态的特点

(1)量子隐形传态传送的只是粒子的量子态,并不是粒子的物理本身,且传送过程不违背量子不可克隆原理。

(2)量子隐形传态仍然需要经典信道,过程分为超空间的量子信息和小于光速的经典信息的传递两部分,因此最终信息传递速度小于光速,不违背狭义相对论。因此超光速通信的瓶颈在于经典信息的传递。

(3)在量子态传递过程中,任何测量都会使得量子态塌缩,而丧失原来要传递的信息。量子态不可克隆原理确保了量子密码的安全性,使得窃听者不可能采取克隆技术来获得信息。

3 结语

量子通信是量子信息领域重要的研究方向,它有着经典通信不可比拟的优点,对于一些需要高度保密的领域例如军事、金融等,量子通信几乎是安全通信的唯一选择。近些年来量子隐形传态理论已经趋于完善,在试验上也不断取得新成果,但是距离实际应用还有很长的路要走,还有很多问题有待解决。

参考文献

[1]Einstein A,Podolsky B,Rosen N.Can Description of Physical Reality be Considered Complete? [J].Phys.Rev.,1935,47:777-780.

[2]Bennett C H,Brassard G,Crépeau C,et al.Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels[J].Phys. Rev. Lett,1993,70:1895-1899

[3]Bohm D.Quantum Theory[M].Englewood Cliffs,NJ:Prentice Hall,

1951.614-823.