基于交叉克爾效應(yīng)的光學(xué)量子信息處理.pdf

1、光子對環(huán)境的魯棒性和易于傳輸?shù)奶匦?使得其成為理想的量子信息載體。因此,在眾多實(shí)現(xiàn)量子信息處理的物理系統(tǒng)中,光學(xué)系統(tǒng)始終是國內(nèi)外科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。人們通常將量子比特編碼在線偏振光的垂直和水平偏振態(tài)上,利用線性光學(xué)元件來完成相關(guān)的量子信息處理任務(wù)。然而正是因?yàn)楣庾又g很難發(fā)生相互作用,再加上線性光學(xué)邏輯門的概率特性,使基于線性光學(xué)的量子信息處理方案大多是非確定性的。交叉克爾效應(yīng)通過使兩個(gè)不同空間模的光子相互調(diào)節(jié)相位,引入光子之間的相互作用

2、,為確定性的光學(xué)量子信息處理提供了理想的平臺(tái)。
　　本文首先對利用交叉克爾效應(yīng)進(jìn)行光學(xué)量子信息處理研究中的基本原理和常用方法作了系統(tǒng)的歸納總結(jié),然后從弱交叉克爾效應(yīng)和巨交叉克爾效應(yīng)兩個(gè)方面研究了基于光子量子比特的量子信息處理過程。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)弱交叉克爾效應(yīng)方面:首先提出了簡化的光子量子比特宇稱測量儀。同現(xiàn)有的光子量子比特宇稱儀相比,本文中的宇稱儀減少了若干光學(xué)元件,同時(shí)將錯(cuò)誤率由原來的10.5降低到了10.

3、72。另一角度來看,如果和原來的宇稱儀保持相同的錯(cuò)誤率,那么簡化后的宇稱儀將對克爾效應(yīng)的相移角度要求較小,這使得實(shí)驗(yàn)上更容易實(shí)現(xiàn)。隨后利用提出的簡化量子比特宇稱測量儀,設(shè)計(jì)了完全的Bell態(tài)分析器。該分析器可以以接近1的概率非破壞性地區(qū)分出四個(gè)Bell態(tài)。并且利用該分析器完成了任意單比特光子態(tài)的確定性隱形傳送。此外,借助經(jīng)典前反饋,提出了利用宇稱儀和線性光學(xué)元件制備任意多量子比特團(tuán)簇態(tài)的方案。
　　(2)巨交叉克爾效應(yīng)方面:利用解

4、糾纏的思想,提出了完全的多光子Greenberger–Horne–Zeilinger(GHZ)態(tài)分析器。相比于目前僅有的幾個(gè)GHZ態(tài)分析器,該分析器包含的光學(xué)元件最少,并且操作最簡單。另一個(gè)明顯的優(yōu)勢是,該分析器是可逆的,將分析器的輸出端和輸入端對調(diào),即可得到利用直積態(tài)確定性地制備相應(yīng)GHZ態(tài)的發(fā)生器。借助于GHZ態(tài)分析器,提出了僅僅使用一個(gè)Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)糾纏對作為量子通道實(shí)現(xiàn)多比特密集編碼的方

5、案。在該方案中,量子通道不隨經(jīng)典比特?cái)?shù)目的增加而改變,即無論傳輸多少比特的經(jīng)典信息,量子通道始終是一個(gè)Bell態(tài)。此外,本方案可以用于制備非局域的GHZ態(tài)。接著構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)該方案的量子線路,證明了利用巨交叉克爾效應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)可以確定性地實(shí)現(xiàn)這些量子線路。最后,提出了利用巨交叉克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)N粒子GHZ類態(tài)的量子隱形傳送方案。該方案中通信雙方共享最大糾纏的GHZ態(tài)作為通道,發(fā)送者通過局域的糾纏分析和經(jīng)典通訊,可以使接收者完美地重構(gòu)要傳送的態(tài)。