基于光學系統(tǒng)的量子邏輯門和量子密集編碼.pdf

1、量子理論和相對論是在二十世紀初被人們建立起來的，它最初被建立的目的是解釋一些物理現(xiàn)象或難題，例如黑體光譜、原子和原子核結構以及運動物體的電動力學等，而量子信息是量子理論中的一個分支。量子信息學的神秘面紗已逐步的被研究者們揭開，從學科專業(yè)上講它是量子力學和信息科學結合的產(chǎn)物。量子力學理論自誕生之日起，已經(jīng)被大范圍的應用于諸如信息學、物理、醫(yī)學等各個領域。量子信息，物理學認為它主要包括量子計算和量子通信這兩個領域:量子通信的研究范圍有量子密

2、碼(quantum cryptography)、量子隱形傳態(tài)(quantum teleportation)、遠距離量子通信的技術等;而量子計算的主要研究范疇是研究量子計算機和適合量子計算機且普遍通用的量子算法。量子計算機、量子態(tài)的傳輸和quantum cryptography是量子信息學中最值得人類為之驕傲的思想，并且它們已經(jīng)逐漸地從這個新的領域中脫穎而出。
　　量子通信的實現(xiàn)和量子計算的完成除了要具備必要的糾纏源之外，還需要信息

3、的運送載體，即實驗上可行的量子信息處理器，一般表現(xiàn)為各種微觀領域的物理系統(tǒng)。量子比特(qubit)是量子信息單位的基礎，它可以攜帶著各種量子信息并且它允許被施加各種量子操縱以完成計算和信息傳遞。量子信息學中的一個重要課題就是去尋找實驗可行的微觀物理系統(tǒng)，以及實驗可行性和成功可能性都相對較高的實驗方案。目前，常用的處理器有:光學系統(tǒng)、光腔QED系統(tǒng)、核磁共振(NMR)系統(tǒng)等。我們知道高傳輸速度、低噪音是光子最凸顯的特性，而光學系統(tǒng)具有容易

4、制備和操控、易于傳輸?shù)膬?yōu)點，因此光學系統(tǒng)被普遍認為是實現(xiàn)長距離量子態(tài)傳輸?shù)淖顑?yōu)系統(tǒng)之一。光學系統(tǒng)的實驗發(fā)展速度也相對較快，因此課題“光學系統(tǒng)結合非線性材質實現(xiàn)量子信息的處理”具有較高的研究價值。
　　本文主要討論如何在光學系統(tǒng)中實現(xiàn)多粒子量子邏輯門;在弱的非線性克爾介質（weak nonlinear cross-Kerr medium簡稱WNCK）輔助下在腔QED系統(tǒng)實現(xiàn)量子密集編碼(dense coding)。取得的主要成果如下

5、:
　　1.在光學系統(tǒng)中實現(xiàn)多粒子量子邏輯門
　　我們首先設計了一個兩粒子controlled-NOT(CNOT)門的實現(xiàn)方案，在這個門的基礎上借助線性光學元件，弱的非線性交叉克爾效應和量子非破壞性測量技術（QND探測）實現(xiàn)了optical Toffoli gate。該方案具有較高的成功概率。本方案的巧妙之處是我們把兩種量子非破壞性測量（QND探測）結合起來，使方案設計思路相對簡單，再加上設計過程中采用了QND探測和經(jīng)典反饋

6、操作相結合的思想，從而大大減少了WNCK及QND探測器的個數(shù)，這樣不但節(jié)約了資源而且降低了由于系統(tǒng)對光子的散射和吸收而引起的消相干現(xiàn)象，因而該方案具有較高的成功概率和較強的實驗可行性。
　　2.在cross-Kerr media-腔QED系統(tǒng)中實現(xiàn)密集編碼
　　GHZ態(tài)的制備:利用相干光場與WNCK相互作用的基理，同時借助施加在探測模式上的零拍測量技術，我們只需控制時間參量便可以制備出三光子GHZ態(tài)，并且這個方案可以推廣到N

7、光子的GHZ態(tài)。與之前的方案相比較，我們的方案操佳更簡單、效率更高、實驗上器件要求相對基礎。
　　密集編碼的實現(xiàn):假設dense coding的兩個主體Alice，Bob共同擁有三粒子糾纏GHZ態(tài)，且Alice擁有A，B兩個粒子，Bob擁有C粒子。Alice對她的兩個粒子都實施I，σx，iσy,σz中的一種操作，使得三個粒子可能處在八種量子態(tài)中的一種?，F(xiàn)在Alice把A，B粒子傳送給Bob，Bob擁有三個粒。Bob想要獲得信息就要

8、對自己現(xiàn)在擁有的粒子進行一系列的局域性操作。Bob首先要對原子A和C粒子所對應的相干態(tài)實施非破壞性探測;第二步是對原子A進行Hadamardgate操作以及計算基底探測;最后對原子B和原子C所相應相干態(tài)上實施非破壞性測量操作以及Hadamard gate操作。完成三步操作后Bob分辨出最初接收到A,B粒子時三粒子系統(tǒng)所處的態(tài),從而實現(xiàn)了dense coding。在文章后面的內(nèi)容里我們也把對兩個粒子的編碼方案推廣到對多個粒子的編碼方案，并