量子信息远程传输的理论研究

论文摘要

量子信息学是以量子力学为基础的信息理论,是信息理论和量子理论的交叉学科,它为信息科学的发展提供了崭新的原理、方法和途径。量子信息远程传输是量子信息领域研究的主要课题,是实现量子远程通讯和量子计算的必要步骤,在基础理论和实际应用两方面均具有重大意义。在量子信息传输过程,纠缠态是必不可少的物理资源,如何根据需要制备相应的纠缠态是量子信息学的一个重要课题。量子通讯过程要伴随着一定量经典信息传输,如何在保证信息安全的同时,尽可能减少物理资源的消耗,也是量子信息理论所关注的一个问题。基于以上想法,本文着重对纠缠态的制备、量子隐形传态和量子远程态制备两种量子信息远程传输方式进行研究,主要研究成果如下:（1）提出在腔QED中实现n-体对称W态及两种非对称类-W态制备方案。这两种非对称类-W态纠缠方式不同,但他们有共同的纠缠特性,利用这种纠缠特性,实现确定的单向受控量子隐形传态。（2）借助于腔QED,提出几种未知量子信息远程传输——量子隐形传态方案。无需直接Bell态测量的多原子任意态受控隐形传态方案,用对单原子投影测量来代替在实验上难以实现的直接Bell态测量,并引入十进制数来表示多量子比特量子态,简化了复杂多体问题的数学表达式。利用一个EPR对实现n-体类-GHZ态的量子隐形传态方案,整个通讯过程只需要一个EPR对和3 cbits的经典信息,大大节省了物理资源,缓解信道压力;利用非对称类-W态实现确定的单向受控量子隐形传态,在没有噪声的条件下,Alice可以将量子信息准确无误地发送给任一个客户,但每一个客户只能控制配合整个信息的传输过程,客户之间不能实现确定的信息传递,这样便保证了信息的安全性。基于以上方案,总结出基于腔QED理论实现确定隐形传态的纠缠态特点。最后,提出超算符方法处理两个qubit任意态确定隐形传态理论方案。（3）提出两种已知量子信息远程传输——量子远程态制备（RSP）方案。一个是,n-qubit“equatorial”态受控RSP方案,用（n—1）个EPR对和一个GHZ态作为量子通道来完成n—qubit“equatorial”态远程态制备,这一过程受到一个监控者控制,需传输n+1 cbits的经典信息;另一个是,单个qubit任意态RSP方案,借助于腔QED理论,在只传输1 cbit的条件下,实现单个qubit任意态远程态制备。该方案又分为两种不同的实现方式,这两种方式的不同点表现为:量子通道中粒子纠缠形式不同,即RSP过程所消耗的量子资源（纠缠）不同。该RSP方案可以推广至多个二能级原子任意态远程态制备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 经典信息科学的发展及其面临的挑战
• 1.2 量子信息学的产生
• 1.3 量子信息学的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 2 量子信息的基本概念与基本功能
• 2.1 量子比特
• 2.2 量子系统的定态描述
• 2.3 保真度
• 2.4 量子纠缠
• 2.4.1 量子纠缠定义
• 2.4.2 量子纠缠度量
• 2.4.3 量子纠缠变换
• 2.4.4 不可克隆定理
• 2.5 量子通讯
• 2.5.1 量子密码术
• 2.5.2 量子稠密编码
• 2.5.3 量子安全直接通讯
• 2.5.4 量子隐形传态
• 2.5.5 量子态远程态制备
• 2.6 量子计算
• 2.6.1 量子门
• 2.6.2 量子并行计算
• 2.6.3 量子计算机物理实现
• 2.7 小结
• 3 二能级原子与单模腔场相互作用制备纠缠态的基本理论
• 3.1 J-C模型
• 3.2 单原子与共振的单模腔场相互作用制备纠缠态
• 3.2.1 单原子与共振腔场之间纠缠态制备
• 3.2.2 共振作用制备两原子最大纠缠态
• 3.2.3 共振作用制备多原子纠缠态
• 3.3 大失谐作用制备两原子纠缠态
• 3.3.1 不含经典场驱动的失谐作用制备原子纠缠态
• 3.3.2 经典场驱动下的失谐作用制备原子纠缠态
• 3.4 对称W态及非对称类-W态的制备
• 3.4.1 对称W态的制备
• 3.4.2 两种非对称类-W态的制备
• 3.4.3 两种非对称类-W态的纠缠特性
• 3.5 可行性分析
• 3.6 小结
• 4 未知量子信息远程传输——量子隐形传态
• 4.1 无需直接Bell基测量的多原子任意态量子隐形传态
• 4.1.1 两体任意态隐形传态方案
• 4.1.2 多体任意态隐形传态方案
• 4.1.3 小结
• 4.2 利用一个EPR对实现多个量子比特类-GHZ态隐形传态
• 4.2.1 利用一个EPR对实现两个量子比特类-GHZ态隐形传态
• 4.2.2 用一个EPR对实现多个量子比特类-GHZ态隐形传态
• 4.2.3 多个量子比特类-GHZ态受控隐形传态
• 4.2.4 小结
• 4.3 利用类-W态实现确定的单向受控量子隐形传态
• 4.3.1 传统方法利用W态实现量子态概率传态
• 4.3.2 利用三粒子类-W态实现两体量子态确定隐形传态
• 4.3.3 多体类-W态实现确定的多体受控量子隐形传态（一）
• 4.3.4 多体类-W态实现确定的多体受控量子隐形传态（二）
• 4.3.5 多体类-W态实现受控概率传态
• 4.3.6 小结
• 4.4 利用腔QED理论实现确定隐形传态的纠缠态特点
• 4.5 基于腔QED实现确定隐形传态纠缠态的纠缠度
• 4.6 超算符方法处理确定量子隐形传态的理论方案
• 4.6.1 单粒子隐形传态理论方案
• 4.6.2 两体隐形传态理论方案
• 5 已知量子信息远程传输——远程态制备
• 5.1 几种典型的量子态远程态制备方案
• 5.1.1 利用纠缠稀释与提纯实现远程态制备方案
• 5.1.2 消耗最少经典信息的单粒子态远程态制备方案
• 5.1.3 多体dark量子态的特性
• 5.1.4 利用dark态实现多目标远程态制备方案
• 5.1.5 小结
• 5.2 消耗最少经典信息n-qubit“equatorial”态RSP方案
• 5.2.1 单qubit“equatorial”态RSP方案
• 5.2.2 2-qubit“equatorial”态RSP方案
• 5.2.3 n-qubit“equatorial”态RSP方案
• 5.2.4 n-qubit“equatorial”态受控RSP方案
• 5.2.5 小结
• 5.3 利用QED腔实现单个qubit任意态RSP方案
• 5.3.1 第一种情形
• 5.3.2 第二种情形
• 5.3.3 小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢