论文摘要
量子信息学作为一门新兴的并迅速发展的学科,将信息学和量子力学成功的结合起来,利用微观粒子的量子力学原理来解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题。由于其潜在的应用价值和重大的科学意义,量子信息学作为最近十几年来迅速发展起来的新兴学科,正在越来越多引起各方面的关注。而纠缠在量子信息学中扮演着极为重要的角色并且在量子信息理论的运用中其核心作用,例如量子密码,量子通信,量子计算。纠缠也是量子信息论区别于经典信息论的重要特征之一。纠缠如此重要,那么如何从理论及实验上上定义纠缠,度量纠缠,和探测纠缠就构成了量子信息论的最基本的内容,也是该领域研究的热点和难点。本博士论文着手于量子信息过程中量子态及量子演化过程的描述以及纠缠的描述、探测、度量及其操作,具有以下几个主要内容:1.纠缠操控量子体系不可避免的会和外界环境相耦合,导致消相干,实际上应用的量子态一般是非最大纠缠态,或者混态,或者两者兼有。为了更好的把纠缠应用于量子信息处理等过程,就需要我们对实际中的纠缠源进行操纵,提纯,使其达到我们的需求。总体来说,有两种纠缠蒸馏或纯化的协议:一种是对单个拷贝进行操作,这种协议被归类为过滤协议(Filtering Protocols),我们从实验上首次验证了针对两量子比特混态的最佳过滤协议并证明了通过过滤操作能够有效的增加系统的纠缠度;另一种是对多分拷贝进行操作,如每步同时对两份拷贝进行操作的循环协议(Recurrence Protocols)。纠缠纯化不仅具有理论上的意义,还有很重要的实用价值,可以建立无条件皓勺密钥分配协议,构建量子中继器,提高量子计算中的错误阈值等等。2.纠缠探测和度量纠缠探测和度量是量子信息中的一个核心的问题。结合我们的工作介绍了实验上常用的纠缠探测和度量的方法,如纠缠见证算符的局域分解,利用光学干涉仪来直接实现纠缠见证算符的测量,利用不确定关系不等式来探测和度量纠缠,以及双份拷贝向反对称子空间的投影等等,这些方法结合具体的实验环境能够有效的减少测量次数,更直接的对系统的信息做出判断和估计,在应用方面具有重要的意义。我们不仅讨论了分离变量的纠缠探测和度量,还研究了一类特殊的自发参量下转换过程中连续变化横向动量间的纠缠,这其中涉及的更多的是泵浦光和参量光的频率谱信息和空间分布信息,这对操控参量光的空间分布和频率关联类型有重要的影响。3.纠缠在动力学中应用纠缠在描述系统量子状态及其动力学演变过程中也有重要的应用,这也是系统量子特性之一。我们介绍了描述系统演变的理论方法,一种是通过对系统的整体信息进行测量然后进行估计的即量子过程层析,另一种是借助纠缠特性来直接描述动力学过程的DCQD,后一种方法能够有效的减少测量次数并且可以通过较少的测量直接提取系统的部分信息,在高维的情况下算法的加速效果更为明显。