量子態(tài)的測量、估計與蒸餾研究.pdf

1、量子信息學(xué)是量子力學(xué)與計算機(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、不可克隆原理來實現(xiàn)信息的存儲、傳輸和處理.量子計算和量子密碼是量子信息領(lǐng)域兩個重要的組成部分.量子計算利用量子計算機(jī)中量子態(tài)的疊加性大大地化簡了現(xiàn)行信息處理的復(fù)雜度,給計算復(fù)雜度理論和計算領(lǐng)域帶來了一場新的革命.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)實驗驗證的基本物理定律之上,是一種無條件安全的加密技術(shù).
　　 在這篇論文中,我們圍饒量子態(tài)的測量和估計這一主題展開研究,主要討論了量子密鑰分配中單(雙)光子組分的估計問題、單光子源的光子數(shù)測量問題以及量子測量中的信息破壞問題.隨后,我們將我們的研究內(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)來進(jìn)行經(jīng)典二進(jìn)制信號的編碼和解碼.但由于單光子源在實現(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,密鑰生成率上各有優(yōu)劣.我們發(fā)現(xiàn)了標(biāo)記配對相干態(tài)(H

4、PCS)這種光源.用其進(jìn)行誘騙態(tài)編碼時,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,是一種對傳輸距離普適的良好相干光源.
　　 2.提出一種光源統(tǒng)計特性測試的新方法對光場中光子統(tǒng)計特性的研究是量子光學(xué)中一個重要的研究方向,它在量子態(tài)的制備、探測甚至線性光學(xué)量子計算等方面都有重要意義.我們用主動衰減的思想提出一種簡便新型的光源統(tǒng)計特性測試的方法.通過主動衰減,我們可以得到待測光源的差分信息,并進(jìn)而推算出光源的統(tǒng)計特

5、性.這種方法具有廣泛地適用性,即可以對未知光源給出其中光子數(shù)分布情況,也可以對已知光源進(jìn)行光子統(tǒng)計檢驗.我們還把這一方法用于實際單光子源環(huán)境下的光子數(shù)測試中，給出了較為精確的概率.同時,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，將會顯著地提高實際單光子環(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)典信息中的測量相比,量子測量是破壞性測量.對未知

6、量子態(tài)的測量,一定會對未知量子態(tài)帶來破壞.而且,測量獲得的信息越多,對量子態(tài)的破壞越大.最優(yōu)的量子測量是最小破壞的測量,即在獲得信息一定的條件下,給量子態(tài)帶來的破壞最小.我們研究了反平行量子態(tài)的信息破壞問題,構(gòu)造了最優(yōu)的量子測量操作,并準(zhǔn)確的刻畫出信息的獲取與態(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)心的問題.現(xiàn)有的糾纏制備方案往往借助于系統(tǒng)的含時演化或

7、反饋測量，這給演化過程中的準(zhǔn)確控制提出了較高的要求.基于現(xiàn)有的實驗條件,我們提出了一種基于腔量子電動力學(xué)(CQED)的穩(wěn)態(tài)糾纏制備方案.我們方案的優(yōu)點是腔和腔中的原子的初態(tài)都無需進(jìn)行初始化,無需反饋控制，經(jīng)過系統(tǒng)演化,最終我們的雙原子系統(tǒng)將自動處于穩(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、它極容易因為外界的系統(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.為了克服這樣的問題,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