量子克隆的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、量子信息學(xué)是量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的一門(mén)新興交叉科學(xué)。同經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)在一些方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如可以有效解決某些對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)屬于難解完全類(lèi)的問(wèn)題，以及可以較容易的模擬量子系統(tǒng)的行為。由于量子信息與量子計(jì)算所存在的巨大應(yīng)用潛力，因而激發(fā)了研究者對(duì)此研究領(lǐng)域的極大興趣同時(shí)也引起各國(guó)政府、科學(xué)界和信息產(chǎn)業(yè)界的高度重視。 1982年，Wootters和Zurek提出了量子不可克隆定理，證明對(duì)于一個(gè)完全未知的量子態(tài)

2、進(jìn)行精確的克隆是不可行的。這條定理的提出奠定了量子安全密鑰分配方案的理論基礎(chǔ)，從而也引起眾多科學(xué)家對(duì)于量子克隆領(lǐng)域深入研究的興趣。到1996年，Buzek和Hillery提出近似克隆機(jī)的理論模型，更引發(fā)了對(duì)于量子克隆理論和實(shí)驗(yàn)方面研究的熱潮。由于量子克隆操作對(duì)于量子態(tài)的精密操控有著較高的要求，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)脆弱的量子體系進(jìn)行相干操作和控制，因此要建立一種能夠滿足要求的量子克隆機(jī)是非常困難的。從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)看，液體核磁共振(Nu

3、clear Magnetic Resonance)技術(shù)是目前最為成功的量予信息處理手段之一。利用核磁共振系統(tǒng)成熟的技術(shù)條件，在量子克隆領(lǐng)域做一些相關(guān)的研究工作，特別是此過(guò)程中積累的豐富的量子相干控制技術(shù)，為量子克隆機(jī)乃至下一代的量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也將增進(jìn)我們對(duì)實(shí)際量子信息過(guò)程以及它的強(qiáng)大功能的理解。這也正是我選用液態(tài)NMR技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)量子克隆機(jī)做為博士論文研究主題的重要原因。本論文在核磁共振系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子克隆機(jī)的實(shí)驗(yàn)

4、研究中取得以下幾個(gè)方面的研究成果： 1.實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)1→2的非對(duì)稱(chēng)phase-covariant量子克隆機(jī)作為近似克隆的一種，非對(duì)稱(chēng)克隆可以實(shí)現(xiàn)信息量在輸入態(tài)和克隆拷貝間直接的傳輸控制?？寺B(tài)的保真度以及克隆過(guò)程對(duì)于初始態(tài)的破壞都依賴(lài)于控制參數(shù)的調(diào)節(jié)：即如果我們提高克隆態(tài)的保真度，那么同時(shí)對(duì)于初始態(tài)的破壞也會(huì)增加。這種信息交換關(guān)系決定了竊聽(tīng)者可以從一個(gè)有著一定誤差率的信道中最多可以獲取多少信息。在此論文中，我們構(gòu)建了可以實(shí)現(xiàn)最佳1→

5、2的非對(duì)稱(chēng)phase-covariant量子克隆的量子邏輯網(wǎng)絡(luò)?？寺∵^(guò)程在NMR系統(tǒng)中通過(guò)使用核自旋作為量子比特實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)并同時(shí)證明了輸出態(tài)的保真度之間關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了循環(huán)路徑得到幾何相門(mén)實(shí)現(xiàn)克隆過(guò)程。這種幾何相門(mén)已被證明對(duì)于系統(tǒng)的一些隨機(jī)擾動(dòng)具有抵抗作用從而可以提高實(shí)驗(yàn)的保真度。 2.實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)1→2的概率克隆機(jī)量子克隆可以分為兩大類(lèi)：近似克隆和概率克隆。近似克隆以1的概率得到量子態(tài)的近似拷貝，而概率克隆則以小于1的概率得