量子關(guān)聯(lián)與玻姆軌跡的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、量子關(guān)聯(lián)是量子世界區(qū)別于經(jīng)典世界的一個(gè)非常重要的特征。其中，量子導(dǎo)引和量子互文性就是兩個(gè)典型的例子。量子導(dǎo)引是指位于類空間隔中的一方可以通過局域測(cè)量瞬間影響另一方的量子態(tài)。不同于Bell非局域性和量子糾纏，量子導(dǎo)引具有獨(dú)特的非對(duì)稱性。量子互文性是指在一個(gè)大于兩維的量子系統(tǒng)中，某一力學(xué)量的測(cè)量結(jié)果與測(cè)量的互文（環(huán)境）有關(guān)。即使單粒子系統(tǒng)也可表現(xiàn)出量子互文性，而且一些量子互文性的驗(yàn)證過程可以與具體制備的初態(tài)形式無關(guān)。它們作為一種量子資源，在

2、各種量子信息任務(wù)中具有重要的作用，越來越受到人們的關(guān)注，目前已引起了對(duì)它們的廣泛研究。量子導(dǎo)引和量子互文都屬于量子力學(xué)的基礎(chǔ)問題，對(duì)它們進(jìn)行研究不僅具有重要的理論價(jià)值:可以進(jìn)一步完善量子理論、加深人們對(duì)量子現(xiàn)象本質(zhì)的理解;而且還具有重要的應(yīng)用價(jià)值:可以幫助我們更好的利用這些量子資源進(jìn)行量子信息任務(wù)的處理。
　　量子力學(xué)自建立以來雖然在各方面都取得了很大的成功，但由于量子理論描述的物理世界是概率性的、不確定的，這與人們的直覺和習(xí)以為

3、常的感受截然不同。相反，玻姆等人發(fā)展起來的“導(dǎo)引波”隱變量理論，既滿足量子力學(xué)的精確預(yù)見性，又可以直觀解釋某些物理現(xiàn)象。他們認(rèn)為在一個(gè)系統(tǒng)中波和粒子同時(shí)存在，粒子沿著一條由波函數(shù)控制的確定軌跡演化。將玻姆軌跡的概念用于量子信息研究，有助于我們深入理解玻姆力學(xué)，探究和應(yīng)用量子奧秘。
　　本人研究生期間主要進(jìn)行了關(guān)于單向量子導(dǎo)引、量子互文性和玻姆軌跡等量子信息基礎(chǔ)問題的實(shí)驗(yàn)研究，具體為:
　　1.實(shí)現(xiàn)了多個(gè)測(cè)量方向下的單向量子導(dǎo)

4、引
　　量子導(dǎo)引是介于量子糾纏與Bell非局域性之間的一種非局域關(guān)聯(lián)。不同于量子糾纏與Bell非局域性，量子導(dǎo)引具有單向性，這在單向量子保密通訊方面有重要應(yīng)用。我們創(chuàng)新性地提出了利用導(dǎo)引半徑這個(gè)充要判據(jù)來定義量子導(dǎo)引能力，并把它推廣到多次測(cè)量的情況。在最簡(jiǎn)單的兩量子比特系統(tǒng)中，首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了單向量子導(dǎo)引嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　2.進(jìn)行了量子互文性的實(shí)驗(yàn)研究
　　量子互文性是容錯(cuò)量子計(jì)算的重要資源，對(duì)它的實(shí)驗(yàn)刻畫是量子

5、信息領(lǐng)域的重要課題。一些量子互文性的驗(yàn)證過程可以與具體制備的初態(tài)形式無關(guān)，這提供了一個(gè)獨(dú)特的視角來展現(xiàn)量子世界的特殊性質(zhì)。我們利用碳化硅缺陷制備的確定性單光子源，制備出單體三維量子態(tài)。通過控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格滿足無信號(hào)傳遞條件下的最優(yōu)態(tài)無關(guān)的量子互文性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另一方面，利用圖論可以方便地來研究量子互文性質(zhì)。柏拉圖多面體具有很好的對(duì)稱性，利用它來研究量子互文性，可以得到更大的經(jīng)典違背。在這里我們進(jìn)一步利用正二十面體進(jìn)行了四維量子

6、互文性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明不同的圖具有不同的驗(yàn)證量子互文性的能力，我們的工作實(shí)現(xiàn)了量子理論與圖論之間關(guān)系的原理性驗(yàn)證，為用互斥圖進(jìn)行量子互文性研究開辟了一條路徑。
　　3.實(shí)現(xiàn)了光子玻姆軌跡的非局域?qū)б?br>　　玻姆等人發(fā)展起來的量子理論創(chuàng)新性地提出微觀粒子軌跡的概念，讓我們能以類似牛頓力學(xué)對(duì)粒子的描述的圖像理解微觀粒子的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，弱測(cè)量技術(shù)為我們提供了一套重構(gòu)光子軌跡的方法?；诓Ｄ防碚?，利用弱測(cè)量技術(shù)，我們發(fā)展出了糾

7、纏光子玻姆軌跡的重構(gòu)方法，實(shí)現(xiàn)了光子玻姆軌跡的非局域?qū)б@為深入理解玻姆力學(xué)和量子導(dǎo)引提供了一種直觀的物理圖像。
　　4.實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中路徑探測(cè)引起的光子動(dòng)量變化
　　楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)是一個(gè)典型的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)光子進(jìn)行路徑探測(cè)，不可避免地會(huì)破壞干涉條紋的可見度。在這里，我們提出利用玻姆動(dòng)量概率分布來描述楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中路徑探測(cè)引起的光子動(dòng)量變化的方法，首次展現(xiàn)了動(dòng)量變化過程中的非經(jīng)典性以及光子動(dòng)量改