連續(xù)變量量子模擬和對抗量子通信中退相干的實驗研究.pdf

1、量子信息科學是由量子力學和信息科學相結合產(chǎn)生的一門新的交叉學科。它以量子力學的基本原理為基礎，通過量子系統(tǒng)的各種特性（量子糾纏、量子并行、量子不可克隆等）對信息進行編碼、傳輸和計算，可以在增大信息容量、確保信息安全、提高運算速度和提高檢測精度等方面突破經(jīng)典信息處理的極限，具有豐富的研究內(nèi)容和良好的發(fā)展前景。
　　量子信息科學發(fā)展的一個重要內(nèi)容是構建量子信息網(wǎng)絡，網(wǎng)絡由量子節(jié)點和量子信道兩個部分組成。在量子節(jié)點中，利用量子資源完成存

2、儲、計算、模擬、糾錯等量子信息處理;量子信道用于完成量子態(tài)的傳輸及量子信息交換。
　　量子模擬是利用一個易于控制和測量的量子系統(tǒng)模擬另一個相對較難控制的復雜系統(tǒng)的動力學行為，執(zhí)行一些經(jīng)典計算機不能完成的任務。近年來，量子模擬的研究發(fā)展迅速，它在物理、化學、生物等領域具有大量潛在的應用。由于連續(xù)變量量子信息處理系統(tǒng)可以有效模擬連續(xù)變化的量子行為，因此，開展連續(xù)變量量子模擬的研究將為量子模擬提供一種新的工具。在量子信息處理中，退相干會

3、導致量子信息處理的保真度降低。在量子通信中，信道損耗和噪聲是導致退相干的主要原因，我們通過建立非馬爾科夫環(huán)境，開展了對抗量子通信中量子退相干的實驗研究。量子導引(Quantum steering)是除了量子關聯(lián)和量子糾纏之外的一種重要的量子資源，其顯著特征在于它的非對稱性。因此，量子導引不僅在基礎物理問題的研究方面具有重要意義，而且在非對稱量子信息處理方面具有潛在的應用。圍繞連續(xù)變量量子模擬、對抗量子通信中的退相干和量子導引分發(fā)等三方面

4、內(nèi)容，我們研究組開展了一系列實驗研究。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.我們自行設計并實現(xiàn)了由量子化光場和邏輯操作單元組成的量子模擬器，基于此系統(tǒng)完成了對封閉和開放系統(tǒng)中量子化諧振子隨時間演化的量子模擬，并且根據(jù)原子系綜與量子諧振子物理量的對應關系，通過分析方法模擬了大系綜原子在自發(fā)輻射過程中物理量的時間演化。該方法是第一次利用連續(xù)變量光學模式和量子邏輯操作完成量子模擬的實驗研究。
　　2.量子資源在量子信道的傳

5、輸過程中會受到損耗以及噪聲的影響。我們研究了信道中的損耗以及噪聲對傳輸?shù)膲嚎s態(tài)和三組份GHZ糾纏態(tài)光場的影響，第一次實驗證實額外噪聲可能導致傳輸量子態(tài)的量子特性消失，并通過建立關聯(lián)噪聲信道模擬非馬爾科夫環(huán)境，實現(xiàn)了對傳輸光場的壓縮以及糾纏特性的恢復。
　　3.研究了連續(xù)變量四組份方形cluster糾纏態(tài)光場中的量子導引效應。量子導引是除了量子糾纏和貝爾非定域性外的另一種重要的量子關聯(lián)形式，是一種量子信息的核心資源，具有雙向量子導引

6、的特性并滿足量子導引的單配性約束關系。我們通過重構四組份光場的協(xié)方差矩陣，利用判據(jù)量化四組份光場的子模式之間量子導引的能力，首次研究了量子導引在連續(xù)變量四組份方形cluster糾纏態(tài)光場中的分布關系，并且驗證了不同多組份結構類型的量子導引的單配性，加深了對cluster糾纏態(tài)的認識。
　　所完成的研究工作創(chuàng)新之處如下:
　　1.第一次利用連續(xù)變量光學模式和量子邏輯操作執(zhí)行量子模擬實驗。
　　2.通過建立關聯(lián)噪聲信道模擬