連續(xù)變量量子模擬和對(duì)抗量子通信中退相干的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、量子信息科學(xué)是由量子力學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的一門新的交叉學(xué)科。它以量子力學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)，通過量子系統(tǒng)的各種特性（量子糾纏、量子并行、量子不可克隆等）對(duì)信息進(jìn)行編碼、傳輸和計(jì)算，可以在增大信息容量、確保信息安全、提高運(yùn)算速度和提高檢測(cè)精度等方面突破經(jīng)典信息處理的極限，具有豐富的研究?jī)?nèi)容和良好的發(fā)展前景。
　　量子信息科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容是構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由量子節(jié)點(diǎn)和量子信道兩個(gè)部分組成。在量子節(jié)點(diǎn)中，利用量子資源完成存

2、儲(chǔ)、計(jì)算、模擬、糾錯(cuò)等量子信息處理;量子信道用于完成量子態(tài)的傳輸及量子信息交換。
　　量子模擬是利用一個(gè)易于控制和測(cè)量的量子系統(tǒng)模擬另一個(gè)相對(duì)較難控制的復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為，執(zhí)行一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能完成的任務(wù)。近年來，量子模擬的研究發(fā)展迅速，它在物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域具有大量潛在的應(yīng)用。由于連續(xù)變量量子信息處理系統(tǒng)可以有效模擬連續(xù)變化的量子行為，因此，開展連續(xù)變量量子模擬的研究將為量子模擬提供一種新的工具。在量子信息處理中，退相干會(huì)

3、導(dǎo)致量子信息處理的保真度降低。在量子通信中，信道損耗和噪聲是導(dǎo)致退相干的主要原因，我們通過建立非馬爾科夫環(huán)境，開展了對(duì)抗量子通信中量子退相干的實(shí)驗(yàn)研究。量子導(dǎo)引(Quantum steering)是除了量子關(guān)聯(lián)和量子糾纏之外的一種重要的量子資源，其顯著特征在于它的非對(duì)稱性。因此，量子導(dǎo)引不僅在基礎(chǔ)物理問題的研究方面具有重要意義，而且在非對(duì)稱量子信息處理方面具有潛在的應(yīng)用。圍繞連續(xù)變量量子模擬、對(duì)抗量子通信中的退相干和量子導(dǎo)引分發(fā)等三方面

4、內(nèi)容，我們研究組開展了一系列實(shí)驗(yàn)研究。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.我們自行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了由量子化光場(chǎng)和邏輯操作單元組成的量子模擬器，基于此系統(tǒng)完成了對(duì)封閉和開放系統(tǒng)中量子化諧振子隨時(shí)間演化的量子模擬，并且根據(jù)原子系綜與量子諧振子物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過分析方法模擬了大系綜原子在自發(fā)輻射過程中物理量的時(shí)間演化。該方法是第一次利用連續(xù)變量光學(xué)模式和量子邏輯操作完成量子模擬的實(shí)驗(yàn)研究。
　　2.量子資源在量子信道的傳

5、輸過程中會(huì)受到損耗以及噪聲的影響。我們研究了信道中的損耗以及噪聲對(duì)傳輸?shù)膲嚎s態(tài)和三組份GHZ糾纏態(tài)光場(chǎng)的影響，第一次實(shí)驗(yàn)證實(shí)額外噪聲可能導(dǎo)致傳輸量子態(tài)的量子特性消失，并通過建立關(guān)聯(lián)噪聲信道模擬非馬爾科夫環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸光場(chǎng)的壓縮以及糾纏特性的恢復(fù)。
　　3.研究了連續(xù)變量四組份方形cluster糾纏態(tài)光場(chǎng)中的量子導(dǎo)引效應(yīng)。量子導(dǎo)引是除了量子糾纏和貝爾非定域性外的另一種重要的量子關(guān)聯(lián)形式，是一種量子信息的核心資源，具有雙向量子導(dǎo)引

6、的特性并滿足量子導(dǎo)引的單配性約束關(guān)系。我們通過重構(gòu)四組份光場(chǎng)的協(xié)方差矩陣，利用判據(jù)量化四組份光場(chǎng)的子模式之間量子導(dǎo)引的能力，首次研究了量子導(dǎo)引在連續(xù)變量四組份方形cluster糾纏態(tài)光場(chǎng)中的分布關(guān)系，并且驗(yàn)證了不同多組份結(jié)構(gòu)類型的量子導(dǎo)引的單配性，加深了對(duì)cluster糾纏態(tài)的認(rèn)識(shí)。
　　所完成的研究工作創(chuàng)新之處如下:
　　1.第一次利用連續(xù)變量光學(xué)模式和量子邏輯操作執(zhí)行量子模擬實(shí)驗(yàn)。
　　2.通過建立關(guān)聯(lián)噪聲信道模擬