腔QED中基于W态的量子信息处理的研究

论文摘要

量子信息学是量子力学和信息科学相结合而产生的一门新兴交叉学科。由于利用量子力学规律去处理信息,量子信息学有着许多经典信息学所无法比拟的优势,由此吸引了广泛的研究热情。量子信息通常包括量子通信和量子计算两部分。量子隐形传态和量子秘密共享是量子通信中的重要研究内容,这两种过程的实现对量子通信走向实用化具有根本性的意义。目前,人们提出多种物理硬件方案以实现量子信息过程,其中腔量子电动力学（Quantum Electronic Dynamics, QED）是研究的比较早,发展的比较快,并且被认为是最有前途的方案之一。腔QED的核心就是将俘获的原子约束在高品质腔中,把量子信息存储在原子能态上,由于腔内原子与腔模的耦合,导致了原子间的相互作用,并且原子-光子系统和周围环境之间的消相干（decoherence）作用可以在很大程度上被抑制。量子纠缠为量子通信提供信道,纠缠态的选择影响到通信的成功率和稳定性。作为量子信道而言,多粒子纠缠比两粒子纠缠具有更多的自由度。W态和GHZ态是三粒子纠缠的两种基本类型。三量子比特的W态在任何一个粒子脱纠缠后仍能保持两粒子的纠缠态,具有很强的鲁棒性,这个性质是GHZ态不具备的。因此,在利用多粒子纠缠态来实现量子信息过程时,采用W态比采用GHZ态具有更多的优势。本文中,我们首先介绍了关于量子信息的基本概念和量子信息过程所依赖的基本资源,正是这些特有的资源,使得量子信息和经典信息相比具有不可比拟的优势。接着,介绍了量子信息的物理实现系统,详细说明了腔QED的实现方法,包括其基本理论和发展现状。然后,详细研究了量子隐形传态的原理,并在考察三粒子的W纠缠态基础上,提出了在腔QED系统中以W态为量子信道,以实现成功率为1的量子隐形传态的方案。在此基础上,还提出了量子秘密共享的腔QED实现方案。因为我们采用一个W型态取代一个GHZ态作为量子信道,所以我们的方案对退相干有更强的鲁棒性。与GHZ态相比,n粒子W态的制备不需要辅助原子且需要的腔更少,因此我们的方案比使用GHZ态的方案更容易实现。并且,我们的方案是建立在郑-郭大失谐模型基础上的,因此能够有效抑制腔泄漏并且在现有技术条件下就能在实验上实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 量子信息与腔QED 实现方案
• 1.1 量子信息
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 基本资源
• 1.2 量子信息的物理实现
• 1.3 腔QED 的基本理论
• 1.4 腔QED 的研究现状
• 2 量子隐形传态的腔QED 实现方案
• 2.1 量子隐形传态
• 2.2 三粒子纠缠态—W 态
• 2.3 在腔QED 中利用W 态实现隐形传态
• 2.3.1 由W 态实现隐形传态的方案
• 2.3.2 腔QED 模型
• 2.3.3 腔QED 实现方案
• 2.3.4 实验可行性分析
• 2.3.5 结论
• 3 量子秘密共享的腔QED 实现方案
• 3.1 量子秘密共享
• 3.2 由W 态实现量子秘密共享
• 3.3 在腔QED 中利用W 态实现量子秘密共享
• 4 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文