量子態(tài)的測(cè)量、估計(jì)與蒸餾研究.pdf

1、量子信息學(xué)是量子力學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的新興交叉科學(xué),它以量子態(tài)為基本信息載體,借助于量子態(tài)疊加原理、不可克隆原理來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理.量子計(jì)算和量子密碼是量子信息領(lǐng)域兩個(gè)重要的組成部分.量子計(jì)算利用量子計(jì)算機(jī)中量子態(tài)的疊加性大大地化簡(jiǎn)了現(xiàn)行信息處理的復(fù)雜度,給計(jì)算復(fù)雜度理論和計(jì)算領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)新的革命.量子密碼(又稱量子密鑰分配)是最先發(fā)展成熟并走向?qū)嶋H應(yīng)用的新興量子信息處理技術(shù).它基于量子不可克隆原理和海森堡不確定原理提供了

2、密鑰無(wú)條件傳輸?shù)耐昝澜鉀Q方案.與以往任何密碼方式相比,量子密碼技術(shù)是一項(xiàng)全新的技術(shù).這種技術(shù)的安全性建立在量子力學(xué)的已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基本物理定律之上,是一種無(wú)條件安全的加密技術(shù).
　　 在這篇論文中,我們圍饒量子態(tài)的測(cè)量和估計(jì)這一主題展開(kāi)研究,主要討論了量子密鑰分配中單(雙)光子組分的估計(jì)問(wèn)題、單光子源的光子數(shù)測(cè)量問(wèn)題以及量子測(cè)量中的信息破壞問(wèn)題.隨后,我們將我們的研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展到兩體的量子糾纏中,著重考察了量子糾纏的制備和蒸餾.具

3、體地:
　　 1.發(fā)現(xiàn)了一種普適的量子密碼用相干光源現(xiàn)有的量子密碼方案(如Bennet-Brassard 1984)大多是利用單光子的非正交態(tài)來(lái)進(jìn)行經(jīng)典二進(jìn)制信號(hào)的編碼和解碼.但由于單光子源在實(shí)現(xiàn)上的困難性,我們往往用衰減的弱相干態(tài)(WCP)或標(biāo)記單光子源(HSPS)來(lái)產(chǎn)生所需的單光子脈沖.
　　 我們發(fā)現(xiàn)利用這兩種光源和誘騙態(tài)(Decoy)方法相結(jié)合進(jìn)行量子密鑰分配時(shí),密鑰生成率上各有優(yōu)劣.我們發(fā)現(xiàn)了標(biāo)記配對(duì)相干態(tài)(H

4、PCS)這種光源.用其進(jìn)行誘騙態(tài)編碼時(shí),即可以做到最大安全傳輸距離最遠(yuǎn),也可以提高中短距離的密鑰率,是一種對(duì)傳輸距離普適的良好相干光源.
　　 2.提出一種光源統(tǒng)計(jì)特性測(cè)試的新方法對(duì)光場(chǎng)中光子統(tǒng)計(jì)特性的研究是量子光學(xué)中一個(gè)重要的研究方向,它在量子態(tài)的制備、探測(cè)甚至線性光學(xué)量子計(jì)算等方面都有重要意義.我們用主動(dòng)衰減的思想提出一種簡(jiǎn)便新型的光源統(tǒng)計(jì)特性測(cè)試的方法.通過(guò)主動(dòng)衰減,我們可以得到待測(cè)光源的差分信息,并進(jìn)而推算出光源的統(tǒng)計(jì)特

5、性.這種方法具有廣泛地適用性,即可以對(duì)未知光源給出其中光子數(shù)分布情況,也可以對(duì)已知光源進(jìn)行光子統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn).我們還把這一方法用于實(shí)際單光子源環(huán)境下的光子數(shù)測(cè)試中，給出了較為精確的概率.同時(shí),如果將這種方法應(yīng)用到現(xiàn)有的基于單光子源量子密碼中，將會(huì)顯著地提高實(shí)際單光子環(huán)境下的量子密鑰分配的密鑰生成率.
　　 3.給出了反平行量子態(tài)的信息破壞界限量子測(cè)量是量子信息中的重要組成部分之一.但與經(jīng)典信息中的測(cè)量相比,量子測(cè)量是破壞性測(cè)量.對(duì)未知

6、量子態(tài)的測(cè)量,一定會(huì)對(duì)未知量子態(tài)帶來(lái)破壞.而且,測(cè)量獲得的信息越多,對(duì)量子態(tài)的破壞越大.最優(yōu)的量子測(cè)量是最小破壞的測(cè)量,即在獲得信息一定的條件下,給量子態(tài)帶來(lái)的破壞最小.我們研究了反平行量子態(tài)的信息破壞問(wèn)題,構(gòu)造了最優(yōu)的量子測(cè)量操作,并準(zhǔn)確的刻畫(huà)出信息的獲取與態(tài)破壞之間的數(shù)量關(guān)系.
　　 4.提出一種制備穩(wěn)態(tài)糾纏的新方案糾纏是量子信息中的重要資源.糾纏的制備和獲取一直是人們關(guān)心的問(wèn)題.現(xiàn)有的糾纏制備方案往往借助于系統(tǒng)的含時(shí)演化或

7、反饋測(cè)量，這給演化過(guò)程中的準(zhǔn)確控制提出了較高的要求.基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件,我們提出了一種基于腔量子電動(dòng)力學(xué)(CQED)的穩(wěn)態(tài)糾纏制備方案.我們方案的優(yōu)點(diǎn)是腔和腔中的原子的初態(tài)都無(wú)需進(jìn)行初始化,無(wú)需反饋控制，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)演化,最終我們的雙原子系統(tǒng)將自動(dòng)處于穩(wěn)態(tài)糾纏的狀態(tài).由于我們系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)恰恰是系統(tǒng)的暗態(tài),因此,我們的系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性.
　　 5.系統(tǒng)研究了連續(xù)變量混態(tài)糾纏態(tài)的蒸餾問(wèn)題糾纏尤其是連續(xù)變量糾纏是一種十分脆弱的量子狀態(tài),

8、它極容易因?yàn)橥饨绲南到y(tǒng)干擾而發(fā)生破壞,這在利用通訊光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)中極為常見(jiàn).為了克服這樣的問(wèn)題,人們提出了糾纏蒸餾的辦法.糾纏蒸餾是利用局域的量子操作的手段來(lái)概率性地從較弱的大量的糾纏系綜中蒸餾出少量的糾纏的方法。對(duì)于連續(xù)變量高斯糾纏態(tài)，其蒸餾必須借助于非高斯局域操作.我們的工作是系統(tǒng)分析了在單份拷貝情況下連續(xù)變量混態(tài)糾纏蒸餾的可行性.我們著重考慮了基于分束器和光探測(cè)器的光子擦除的糾纏蒸餾方案.我們混態(tài)糾纏由幅度衰減信道產(chǎn)生.通