遠(yuǎn)程量子通信的理論研究.pdf

1、二十世紀(jì)信息科學(xué)在改善人類的生活質(zhì)量以及推動社會的文明發(fā)展中發(fā)揮著無可比擬的作用。人類對于信息的需求日益增加使得人們不斷地致力于信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，然而現(xiàn)有的信息系統(tǒng)其功能已被開發(fā)至接近極限程度。二十世紀(jì)初發(fā)展起來的量子力學(xué)在推動人類社會的發(fā)展中已經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用。在量子力學(xué)新的應(yīng)用領(lǐng)域中，首當(dāng)其沖的是信息科學(xué)。量子效應(yīng)在信息領(lǐng)域中有著獨(dú)特的功能，于是一門新興學(xué)科——量子信息學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生。 量子通信是量子信息學(xué)中研究較早的領(lǐng)

2、域。廣義上講，它包括量子密碼術(shù)、量子隱形傳態(tài)、密集編碼、遠(yuǎn)程量子通信以及量子通信復(fù)雜度等。近年來在理論和實(shí)踐上均已取得了重要的突破，引起各國政府，科技界和信息產(chǎn)業(yè)界的高度重視。遠(yuǎn)程量子通信是要在相距較遠(yuǎn)的通信方之間建立量子信道，實(shí)現(xiàn)量子通信。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信的瓶頸在于通信出錯率隨著通信方之間信道的長度增加而做指數(shù)級的增長。遠(yuǎn)程量子通信作為量子信息學(xué)面向?qū)嵱没囊粋€重要分支，在量子信息學(xué)的研究中占據(jù)了重要的位置。 本論文重點(diǎn)研究了

3、遠(yuǎn)程量子通信的實(shí)現(xiàn)方法與物理體系，主要研究成果包括以下幾個方面： 1.利用原子系綜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程邏輯操作 我們以原子系綜為基本物理體系，通過選取合適的原子能級，提出了制備具有“偏振”性質(zhì)的糾纏態(tài)的方案。該方案無需對每個原子進(jìn)行單獨(dú)尋址，因此與單個粒子比較，對原子系綜的激光操控，更容易在實(shí)驗上實(shí)現(xiàn)。更為重要的是，與單個粒子和光場相互作用的情況相比，利用原子系綜使信噪比有大幅提高，而且原子內(nèi)能級能夠較長時間地存儲量子態(tài)。在制備糾纏

4、態(tài)的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出了利用糾纏與線性光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程邏輯操作的方案。方案中使用偏振分束器與后選擇測量使得受控非門的實(shí)現(xiàn)更為簡單。 2.利用原子系綜實(shí)現(xiàn)多體糾纏的制備與純化 我們提出了一個利用原子系綜實(shí)現(xiàn)多體糾纏的制備方案以及三體糾纏態(tài)純化方案。與以往基于Folk表象的糾纏態(tài)不同，我們選用五能級原子，制備出的糾纏態(tài)具有偏振性，并且可以直接轉(zhuǎn)換為光子之間的糾纏態(tài)，可以方便的應(yīng)用于量子通信中。針對三體糾纏態(tài)設(shè)計的糾纏純化

5、方案只涉及偏振分束器、偏振片以及光子探測器，無需兩比特邏輯操作，相對于利用受控非門的純化方案，其實(shí)驗的實(shí)現(xiàn)難度大大降低了。我們在三體GHZ糾纏態(tài)制備與純化的基礎(chǔ)上，提出了一個重要的應(yīng)用前景，可利用此糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)在一方控制之下，另外雙方之間安全直接的量子通信。 3.利用時間編碼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信 利用量子編碼來糾正量子錯誤也是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信的一種途徑。我們提出一種利用時間編碼與偏振控制的方法來克服遠(yuǎn)距離信道對量子態(tài)消偏振的影