连续变量量子纠缠的产生和条件克隆
连续变量量子纠缠的产生和条件克隆
【摘要】：量子纠缠作为量子物理世界中的独特资源,它的出现改变了我们信息处理的方式,可以保证我们信息通讯的绝对安全和提供更为强大的计算能力,从而被广泛应用到量子密钥术、可控量子密集编码、量子离物传态和量子计算等量子信息科学中。另外,空间上的多模纠缠还可以用于提高图像成像质量；不同频率之间的多组份纠缠可以用于不同波长的光学系统的联接和作为连接量子存储的原子能级和通讯窗口的桥梁。因此量子纠缠的产生和研究已成为量子信息科学中最重要的工作之一。本文主要研究了以下关于连续变量量子纠缠的相关内容：1.为了产生高质量的纠缠源,首要条件是获得低噪声的激光光源。我们采用两种不同的方法对光纤激光器的噪声进行了抑制：前置电光反馈和模清洁器,抑制后光纤激光器的噪声在3MHz以后达到散粒噪声极限,最大噪声抑制高达27dB。2.在一个参量放大器中同时产生了两对高阶模纠缠态(HG01和HG10),其中HG01模的纠缠方差为3.42,HG10模的纠缠方差为3.34。并表明此纠缠态为同时具有轨道角动量纠缠和自旋角动量纠缠的超纠缠态,这种超纠缠态可以用于量子密集编码中,以提高量子信道容量。在此基础上,给出了一种产生高阶模四组份cluster纠缠的产生方案,并在实验上获得了四组份cluster纠缠。3.介绍和研究了OPO、SHG中量子多色三组份纠缠的产生情况。对倍频过程中额外噪声产生的原因进行了分析,为下一步实验工作指明了方向。本节中,从理论上给出了一种产生三组份纠缠的新方案,指
出产生量子多色三组份纠缠的最佳过程并不是在单纯的OPO过程,也不是在SHG过程中,而是一种SHG和OPO的中间过程OPDA。对于OPDA过程,给出了实验方案和一些实验结果,通过此过程中产生了5dB的1080nm两组份纠缠光。此量子多色纠缠可以用于不同波长的光学系统的联接和作为连接量子存储的原子能级和通讯窗口的桥梁。
4.首次将条件制备技术应用到了量子克隆过程中,提出了一种连续变量量子纠缠态的条件克隆方案。本克隆方案中仅用到线性元件,例如；光分束器、平衡零拍探测和条件测量,具有可控性和易操作的优点。通过我们的方案,克隆后的输出态可以保持良好的纠缠特性和保真度,纠缠态的条件克隆可广泛应用于量子信息领域中,例如量子计算过程中的纠错,量子密钥分发过程中的量子窃听。本文的创新之处：1.实验上采用两种不同的方法对光纤激光器的噪声进行了抑制。2.实验上产生了同时具有自旋角动量纠缠和轨道角动量纠缠的连续变量超纠缠态和高阶模四组份cluster纠缠。3.实验上分析了Ⅱ类非线性过程额外噪声的来源,理论上给出了通过Ⅱ类非线性过程产生三色纠缠的最佳条件及实验方案。4.提出了一种有效且可行的连续变量纠缠态的条件克隆方案。【关键词】：量子信息光纤激光器噪声抑制光电反馈模清洁器纠缠超纠缠态cluster纠缠态拉盖尔高斯模厄米高斯模参量振荡倍频条件克隆
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O431.2
【目录】：中文摘要8-10ABSTRACT10-12前言12-14第一章基础知识及实验技术14-281.1.测不准原理14-151.2.压缩态15-161.3.纠缠态16-171.4.Wigner函数17-181.5.振幅和相位调制18-211.6.锁腔(相)技术21-231.7.平衡零拍23-251.8.用分析腔测噪声25-27参考文献27-28第二章光纤激光器及其噪声抑制28-442.1.光纤激光器原理28-302.2.光纤激光器的噪声抑制30-402.2.1.利用振幅调制器抑制激光器的噪声30-342.2.2.利用模清洁器抑制光纤激光器的噪声34-402.3.小结40-41参考文献41-44第三章连续变量多色三组份纠缠44-663.1.阈值以上OPO中的三组份纠缠44-463.2.二类倍频中的三组分纠缠46-553.2.1.Ⅱ类倍频理论方案46-493.2.2.Ⅱ类倍频实验研究49-553.3.介于OPO 与SHG之间的系统55-633.3.1.介于OPO与SHG系统的理论模型55-573.3.2.理论计算结果57-613.3.3.实验方案及进展61-633.4.小结63参考文献63-66第四章高阶横模纠缠态的产生66-924.1.引言664.2.高阶横模66-724.2.1.厄米—高斯光束66-674.2.2.拉盖尔高斯光束67-694.2.3.自旋(SAM)及轨道角动量(OAM)69-724.3.高阶横模纠缠态72-894.3.1.高阶横模纠缠态理论研究72-764.3.2.高阶横模纠缠态的产生76-894.4.小结89参考文献89-92第五章连续变量纠缠态的条件量子克隆92-1085.1.单模压缩态的条件克隆93-975.2.纠缠态的条件克隆97-1015.3.与文献中克隆方案的对比101-1045.4.小结104-105参考文
献105-108总结与展望108-110攻读学位期间取得的研究成果110-112致谢112-113个人简况及联系方式113-115 本论文购买请联系页眉网站。
基于光纤通信的量子安全通信
本科毕业论文 题目基于光纤通信的量子安全通信专业 作者姓名 学号 单位
指导教师 2017 年 5 月 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均在文中以明确的方式表明。本人承担本声明的相应责任。
学位论文作者签名：日期：指导教师签名:日期：
目录 摘要 Abstract 第1章绪论 (4) 1.1选题背景 (4) 1.2国内外研究现状 (5) 第2章量子密码学的物理基础 (6) 2.1量子态叠加原理 (6) 2.2量子相干性 (6) 2.3测不准原理 (7) 2.4量子不可克隆定理 (7) 2.5量子纠缠性 (7) 第3章连续变量量子密码通信基础 (7) 3.1连续变量量子密钥分发光路 (8) 3.2分光电路实验过程 (9) 第4章高斯调制 (9) 4.1高斯态制备 (9) 4.2信号测量 (10) 4.2.1平衡零差检测 (10) 4.2.2平衡外差检测 (10) 结论 (10) 参考文献 (11)
摘要 随着信息手段在人类生产、生活当中得到广泛使用，通讯的安全得到前所未有的关注，人们愈来愈重视通信的安全。传统密码通信的安全性，是基于数学问题的难以求解，现在大规模集成电路计算机受限于本身物理的特性，运行速度有限，难于求解这类大数问题。然而量子计算机的出现，打破了传统密码通信安全的大门，大数分解问题量子计算机短时间内就能够破解，原有密码通信体制将不够安全。量子密码通信应运而生。本文介绍了经典密码通信及其缺陷，进而引出量子密码通信的必要性。介绍了连续变量量子密钥分配和连续变量量子密集编码的研究进展。介绍了量子密码学的理论基础，对量子态的基本性质、福克斯态、相干态、纠缠态、么正变换、密度算子作了介绍。介绍了量子密码学信息论必备的基础知识，如香农熵、冯诺依曼熵、Holevo界。介绍了连续变量量子密码通信基础知识。介绍了高斯调制CVQKD的实验方案、理论安全分析模型、窃听者常用的攻击方式、数据协商形式、高斯态辛本征值的求解。 关键词：光钎通信；信息安全；量子密码
基于光场量子态的量子信息研究
项目名称：基于光场量子态的量子信息研究
一、研究内容 项目将围绕重大科学研究计划“量子调控”专项中的“基于光场量子态的量子信息研究”的指南内容，瞄准利用光场量子态进行量子信息处理中的关键科学和技术问题，如：稳定可靠的纠缠光源的获得，有效的纠缠光纯化以及光与原子量子接口的实现等开展深入的研究。从实验上构建稳定可靠、可扩展、易操控的量子信息处理物理系统，以及在原理探讨中加强核心技术的获得。 本项目拟解决的关键科学问题包括： 1. 具有实用价值的纠缠态光源的研制：需解决以下关键问题：（1）研制高质量高功率全固态1.5μm/1.3μm 连续单频激光光源、窄线宽连续可调谐钛宝石激光器；（2）降低作为泵浦源的激光器的位相噪声使之达到散粒噪声极限，最大限度克服其对量子纠缠态光场纠缠度的影响；（3）改善反馈控制系统以降低光束间相对位相波动，提高非线性晶体的控温精度，以获得高纠缠度连续变量量子纠缠态光场；（4）当非简并光学参量振荡器运转于阈值以上时，研究解决两个下转换模在光学参量振荡腔内的不平衡损耗；（5）优化基于光纤的纠缠光源的参数，提高纠缠度，并使该系统全光纤化。 2. 多色多组份纠缠态光场产生及量子态传输：需解决以下关键问题：（1）将作为泵浦源的光纤激光器输出噪声降低到散粒噪声极限水平；（2）寻找合适的控制参数，实现量子离物传态以及可控的量子克隆；（3）多色多组份纠缠态在传输和与节点发生相互作用过程中的消相干问题。 3. 量子纠缠纯化和量子接口：需解决以下关键问题：（1）制备非高斯混合纠缠态光场；（2）获得高光学厚度、极低温度的冷原子系综；（3）减小原子退相干效应对量子存储的影响；（4）设计可行的探测系统, 消除杂散光的影响，完成光场量子态信号的探测。 4. 单量子比特（光子或分子）的产生与探测及其在量子信息处理上的应用：需解决以下关键问题：(1) 利用低温超导技术实现微波段光场量子态的制备和表征;(2)实现光通信波段(即波长为1.3μm,1.5μm)和原子吸收线(即波长为 780nm,850nm)的快响应时间、高量子效率和低暗计数率的超导单光子测量。 主要研究内容：（１）研制具有实用价值的纠缠态光源。（2）基于多色多组份纠缠态光场的量子信息网络。（3）实现连续变量纠缠纯化，通过光与原子介质
029057连续变量量子信息
专题报道／Cover Features Communications of CCF 2008/7 58连续变量量子信息 苏晓龙谢常德彭堃墀 引言 1948年，美国工程师香农（C. E. Shannon[1]）发表了《通信的数学理论》一 文。该文对信息给予了定量的描述，标志 着信息学科的确立。20世纪后期，人类社 会已经进入信息化时代。谁能最快、最准 确地掌握相关信息，谁就会在社会活动中 处于主动地位。无论是在国家安全、政府 决策、商业活动和工业生产，还是在日常 生活和科学研究中，信息的交换使用及其 安全传输无处不在。信息对当代社会的进 步产生了广泛的影响和巨大的推动作用， 人类社会的存在和发展已经进入了时刻都 离不开信息的时代。 量子力学理论从20世纪20年代诞生至 今，已经取得了巨大的成功。该理论不仅成 功解释了原子和原子核结构、固体结构和半 导体性质等重要物理问题，而且也促进了 现代微电子技术、激光技术、新能源技术和 新材料科学的出现和发展。但是在20世纪80 年代以前，几乎无人注意到经典信息理论和 量子力学理论之间的交叉。直到最近20多年 来，人们才越来越清楚地认识到它们之间存 在着深刻密切的联系，由此产生了内容丰富 的量子信息学[2,3]。 量子信息学作为量子物理学与计算机科 学、信息科学相结合的新兴学科，提出了一 整套以量子力学的基本原理为基础，通过量 子系统的各种相干特性（量子叠加、量子并 行、量子纠缠和量子不可克隆等等）进行计 算、编码和信息传输的全新方式。量子信息 技术包括量子通信和量子计算两部分内容。 量子力学与信息科学的结合不仅充分显示了 学科交叉的重要性，而且也表明量子信息技 术的最终物理实现会导致信息科学观念和模 式的重大变革。量子信息学是一个相对年轻 的学科，一方面赋予信息科学新的生命力， 另一方面又可以反过来从信息理论的角度使 量子物理的概念具体化，从而给予量子理论 更深层次的理解[3]。现有的信息存储、处理和 传输都依赖于经典物理系统，以经典物理概 念为基础和出发点，而量子信息技术则是以 量子物理概念为基本出发点。 量子信息科学根据量子系统本征态所 具有的离散谱和连续谱两种结构特征，可 分为离散变量的与连续变量的两大类。其 中，离散变量是指能够用可数（有限）维 希尔伯特空间表征的量子变量，如光子或 光波场的偏振。连续变量是指这样一类量 子变量，它们的每一个值对应不同的正交 本征态，这些本征态构成无限维希尔伯特 空间，比如粒子的位置与动量、光波场的 正交振幅与正交位相分量等。量子信息科 学首先在离散变量领域提出和发展[2]，后 来扩展到连续变量领域[3]。 量子纠缠 量子力学所提供的最重要的“资源” 是量子纠缠（Quantum Entanglement）。正 是利用了纠缠，人们才得以突破经典电动力 山西大学 关键词：连续变量 量子纠缠
实验题目量子纠缠实验(近代物理实验)
实验题目：量子纠缠实验（近代物理实验） 王合英孙文博陈宜保葛惟昆 清华大学实验物理教学中心 【实验目的】 通过本实验，不仅让学生更深刻地理解量子力学与非线性光学的相关理论知识，同时使学生在实验技能、科学素养、工作作风等各方面得到全面的培养与训练。由于本实验涉及的理论知识和实验技术范围广、可做的实验内容多，特别鼓励学生在实验过程中大胆提出自己的思路，以激发学生的创新思维，提高学生的综合实验能力。具体来说，本实验的目的可以概括为： 1.了解量子纠缠态的概念、性质及其在量子信息领域的应用，进而深刻理解量 子力学的本质与精髓。 2.学习量子通讯的基本原理和过程，以及与量子通讯相关的一些基本概念和知 识。 3.学习光子纠缠源的性质及产生原理，学习相关的非线性光学的知识，如自 发参量放大与振荡、相位匹配、自发参量下转换、非线性晶体的性质等，熟练掌握光学实验的光路调节和各种光学元件的调整技术。 4.了解光纤传输和耦合的理论与技术，学习单光子计数器的工作原理和单光子
计数技术。 5.学习对光子纠缠源产生的光子纠缠对比度的符合测量方法，并通过测量验算 Bell不等式。 【实验内容】 核心内容：本实验涉及量子力学基本原理和量子通讯技术最基础和核心的内容，不仅包含丰富的物理理论知识，更是各种实验技术特别是光学技术的 综合，因此要求学生在做实验时既要有清楚的物理图像，又具有比较 强的动手操作能力；既要有严谨细致的工作作风，又要有创新精神。基本要求：学生有较好的光学和量子力学的理论基础，比较强的理论自学能力和比较强的光路调节能力，做实验要认真、有耐心、胆大细心。由于做 本实验所需时间较长，要求学生做实验的时间能比较集中。 基础部分： 1.激光器性能判定 2.BBO晶体主光轴校订 3.双光子偏振纠缠态的制备和测量 4.爱因斯坦佯谬和Bell不等式的实验测量 研究型部分： 1.学生在上述实验的基础上，查找资料，自己设计另一种光路实现双光子纠缠 态的制备和测量，设计光路时可以用到其它的非线性光学元件，如PBS等。 并对两种方法的优缺点对比分析。 2.纠缠双光子的干涉实验。对比度曲线反映了两个光子的偏振关系，但此处的 符合测量并不能直接反映两个光子的相干性质，学生可以尝试设计一种关于纠缠双光子的相干性的实验。 【实验原理】
全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发解读
全光纤四态分离调制连续变量量子密钥分发 【摘要】：现代社会已经步入信息化时代,信息安全的重要性日渐凸显。能够保障信息安全的密码学越来越受到人们的重视,其应用已渗透到人们日常生活的各个领域。基于量子力学基本原理的量子密钥分发可以使合法通信双方获得一组的无条件安全的随机密钥,该密钥可用于信息的加密与解密,进而实现双方的保密通信,任何第三方的窃听都可以被通信双方察觉到。量子密钥分发的无条件安全性,使得相关的理论和实验进入了一个飞速发展的时期,在未来的国防、金融、网络和通信等领域具有广阔的应用前景。连续变量量子密钥分发利用光场的正交分量作为信息的载体,所需光源易于制备,探测效率高,同时和当前的光通信网络具有良好的兼容性,近年来受到极大关注,在理论和实验方面均得到了迅猛的发展。按照调制方式可将相干态连续变量量子密钥分发分为高斯调制和非高斯调制方案,四态分离调制方案属于非高斯调制方案,具有调制方法简单、数据协调效率高等优点,理论上可以实现距离长达百公里以上的安全密钥分发。本论文从理论和实验两方面对基于该方案搭建的全光纤连续变量量子密钥分发系统展开了研究。论文首先回顾了连续变量量子密钥分发的国内外发展动态,接下来对该领域内的基础理论知识进行了介绍,并对基于平衡零拍探测的四态分离调制连续变量量子密钥分发的无条件安全性进行了分析。然后对适用于该领域的全光纤脉冲平衡零拍探测装置的各种特性及相应测量结果进行了分析,最后介绍了基于全光纤器件的实验系统,
目前已在该系统上实现了距离为30km,安全密钥速率为1kbits/s的量子密钥分发。本论文的主要工作内容包含以下三个方面。1.理论分析了基于平衡零拍探测的四态分离调制相干态连续变量量子密钥分发方案的两种模型,它们是制备与测量模型和EPR纠缠模型。在制备与测量模型中介绍了所选方案的编码规则,经过编码后双方可获得一组相关联的二进制数。在该模型下,形象地给出了信号光场以及额外噪声在相空间中的演化过程。在EPR纠缠模型下对所选方案的无条件安全性进行了分析。首先介绍了系统中的各种噪声,将Alice端的源额外噪声等效为Fred所拥有的量子态,接着给出了Alice和Bob之间互信息量的计算方法,Bob采用了平衡零拍的探测方法。然后详细地分析了Eve可获得的信息量的上限Holevo边界的计算过程。最后给出了安全密钥速率及额外噪声的计算方法。额外噪声是决定密钥分发的距离及安全密钥速率大小的关键因素。两种模型是等价的。在安全性的证明过程中,假设Eve拥有各种可能存在的先进装备,但是她的攻击手段并不能违背量子力学原理而且无法获得Bob端的装置的信息。在Eve可以获得Fred的量子态时,Alice端的源额外噪声与通道额外噪声是等效的。2.设计并制作了适用于量子通信领域的全光纤时域脉冲平衡零拍探测装置,该探测装置的脉冲重复速率可达2MHz,增益为3.2μV/光子,共模抑制比为76dB,信噪比可达20dB以上,总的量子效率为66%。论文详细分析了该探测装置的工作原理和特性,包括共模抑制比、散粒噪声极限和探测装置的稳定性。要获得高的共模抑制比,不仅要选取两个响应特性尽量相同的光电二极管,而且要求两光电二
走近量子纠缠——贝尔不等式
1963-1964年，在长期供职于欧洲核子中心(CERN)后，约翰贝尔有机会到美国斯坦福 大学访问一年。北加州田园式的风光，四季宜人的气候，附近农庄的葡萄美酒，离得不远的黄金海滩，加之斯坦福大学既宁静深沉，又宽松开放的学术气氛。这美好的一切，孕育了贝尔的灵感，启发了他对EPR佯谬及隐变量理论的深刻思考。 贝尔开始认真考察量子力学能否用局域的隐变量理论来解释。贝尔认为，量子论表面上获得了成功，但其理论基础仍然可能是片面的，如同瞎子摸象，管中窥豹，没有看到更全面、更深层的东西。在量子论的地下深处，可能有一个隐身人在作怪：那就是隐变量。 根据爱因斯坦的想法，在EPR论文中提到的，从一个大粒子分裂成的两个粒子的自旋状态，虽然看起来是随机的，但却可能是在两粒子分离的那一刻(或是之前)就决定好了的。打个比喻说，如同两个同卵双胞胎，他们的基因情况早就决定了，无论后来他(她)们相距多远，总在某些特定的情形下，会作出一些惊人相似的选择，使人误认为他们有第六感，能超距离地心灵相通。但是实际上，是有一串遗传指令隐藏在它们的基因中，暗地里指挥着他们的行动，一旦我们找出了这些指令，双胞胎的心灵感应就不再神秘，不再需要用所谓非局域的超距作用来解释了。 尽管粒子自旋是个很深奥的量子力学概念，并无经典对应物，但粗略地说，我们可以用三维空间的一段矢量来表示粒子的自旋。比如，对EPR中的纠缠粒子对A和B来说，它们的自旋矢量总是处于相反的方向，如下图中所示的红色矢量和蓝色矢量。这两个红蓝自旋矢量，在三维空间中可以随机地取各种方向，假设这种随机性是来自于某个未知的隐变量L。为简单起见，我们假设L只有八个离散的数值，L=1,2,,3,4,5,6,7,8 ，如下图所示，分别对应于三维空间直角坐标系的八个卦限。 由于A、B的纠缠性，图中的红矢和蓝矢总是应该指向相反的方向，也就是说，红矢方向确定了，蓝矢方向也就确定了。因此，我们只需要考虑A粒子的自旋矢量(红矢)的空间取向就够了。假设红矢出现在八个卦限中的概率分别为n 1 ,n 2 ...n 8 。由于红矢的位置在8 个卦限中必居其一，因此我们有： n 1 +n 2 +n 3 +n 4 +n 5 +n 6 +n 7 +n 8 =1 。 现在，我们列出一个表，描述A、B的自旋矢量在3维空间可能出现的8种情况。下图中的左半部分列出了在这些可能情况下，自旋矢量在xyz方向的符号： 既然AB二粒子系统形成纠缠态，互为关联，我们便定义几个关联函数，用数学语言来更准确地描述这种关联的程度。比如，我们可以如此来定义P xx (L) ：观察x方向红矢的符号，和x方向蓝矢的符号，如果两个符号相同，函数P xx (L) 的值就为+1，否则，函数P xx (L) 的值就为-1。我们从上表左边列出的红矢蓝矢的符号不难看出，P xx (L) 的8个数值都是-1。然后，我们使用类似的原则，可以定义其他的关联函数。比如说，P xz (L) ，是x 方向红矢符号，与z 方向蓝矢符号的关联，等等。 在上图中的右半部分，我们列出了P xx (L) 以及P xz (L) 、P zy (L) 、P xy (L) 的数值。
量子纠缠态的制备
量子纠缠态的制备 摘要：量子纠缠是量子信息中最重要、也最为神奇的一个课题.量子纠缠是一种有用的信息“资源”，在量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配以及在量子计算的加速、量子纠错、防错等方面都起着关键作用.在量子信息中，信息的处理离不开量子态及其演化.而量子纠缠态毫无疑问是各种量子态中最为重要的一种.它可用于检验量子力学的基本原理，而且也是实现量子通信的重要信道.所以，纠缠态的制备和操作就显得尤为重要，文章简要介绍量子纠缠态的定义、量子纠缠态的度量及分类、量子纠缠态的制备，并介绍纠缠态的一些应用. 关键字：量子纠缠;腔QED;离子阱;生成纠缠；蒸馏纠缠
Quantum Pestering Condition Preparation Abs trac t: T he q uantum entanglement is o ne o f the most impo rtant subject, and also the supernatural part of q uantum informatio n sc ienc e. As an important quantum resource, the entangled states are p laying the key ro le in many sorts of quantum informatio n process, for examp le, quantum t e le p o r t a t io n,q u a n t u m d e n s e c o d in g,a n d q u a n t u m k e y d is t- rib utio n as we ll as q uantum co mp utatio n acc elerat io n, the q uantum correct-erro r, guard-error and so on. In q uantum informatio n sc ience, informatio n process ing cannot leave the quantum state and it’s the ev- olution. But quantum entanglement cond itio n is witho ut a doubt in each kind o f q uantum s tate the mos t imp o rtant o ne kind. It may us e in examining the q uantum mec hanics the b as ic p rinc ip le, mo reo ver also realizes the quantum correspondence important channel. T herefore, the pes tering co nd itio n p rep aratio n and the op eratio n app ears esp ec ia lly impo rtantly, artic le brief int roductio n quantum entanglement cond ition definit io n, q uantum entanglement co nd it io n meas ure and c lass ified, q u a n t u m e n t a n g le me n t c o nd it io n p r ep a r a t io n, a nd in t r o d u c t io n e n t a n g l e m e n t c o n d i t i o n s o m e a p p l i c a t i o n s. Key word: Quantum entanglement; Cavity QED; Ion trap；Formation of entanglement；Disillation of entanglement
量子纠缠
量子纠缠 量子纠缠（quantum entanglement），又译量子缠结，是一种量子力学现象，其定义上描述复合系统（具有两个以上的成员系统）之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积（tensor product）。 具有量子纠缠现象的成员系统们，在此拿两颗以相反方向、同样速率等速运动之电子为例，即使一颗行至太阳边，一颗行至冥王星，如此遥远的距离下，它们仍保有特别的关联性（correlation）；亦即当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。如此现象导致了“鬼魅似的远距作用”（spooky action-at-a-distance）之猜疑，仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般，似与狭义相对论中所谓的局域性（locality）相违背。这也是当初阿尔伯特·爱因斯坦与同僚玻理斯·波多斯基、纳森·罗森于1935年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论（EPR paradox）来质疑量子力学完备性之缘由。[编辑本段]特点 量子力学是非定域的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。 多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态，而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特殊的量子态。历史上，纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于“猫态”的论文中。纠缠态对于了解量子力学的基本概念具有重要意义，近年来已在一些前沿领域中得到应用，特别是在量子信息方面。例如，量子远程通信。 目前，我国科学家潘建伟已经成功的制备了5粒子最大纠缠态，领先其它国家。 一、量子纠缠理论的发展19世纪末到20世纪初，量子力学快速发并完善起来，解决了许多经典理论不能解释的现象，大量的实验事实及实际应用也证明了量子力学是一个成功的物理理论。但是关于量子力学的基本原理的理解却存在不同的解释。 众多的物理学家在自己观点的指引下，对量子力学的基本解释提出了自己的看法，主要有三种:传统解释，PTV系综解释和统计解释。这三种解释之间既有区别又有联系 传统解释出发点是量子假设，强调微观领域内每个原子过程或基元中存在着本质的不连续，其核心思想是玻尔的互补原理，还接受了玻恩对 态函数的概率解释，并把这种概率理解 为是同一个粒子在给定时刻出现在某处的概率密度。PTV系统解释的代表是玻姆，
量子信息物理原理
量子信息物理原理 Principles of Quantum Information Physics 张永德著 科学出版社2006年1月出版 定价：59.00 本书系统介绍了量子信息论的物理原理。全书内容包括量子测量问题、双态系统、量子纠缠与纠缠分析、Bell型空间非定域性及分析、退相干分析、纯化与相干性恢复、不可克隆定理与量Zeno效应、量子态超空间转移、量子门与简单量子网络、量子算法、量子误差纠正与保真度、量子信息论等，共计13章。重点在于阐述物理原理。每章后均附有相关文献和习题。为自学和教学方便，全部习题均给出了详细解答。 本书既可以作为教学用书，也可作为自学和科研参考用书，适用于物理学科及电子信息学科领域的相关教师、科研人员、研究生和本科生。 前言 第一章量子测量及相关问题 §1.1 量子测量及相关问题I——量子测量基础 1.1.1 量子力学的第三公设——测量公设 1.1.2 测量理论的三个阶段 1.1.3 坍缩阶段的四个特征 1.1.4 量子测量分类 §1.2 量子测量及相关问题II——量子光学一些器件及实验分析 1.2.1 量子测量效应I——半透片、符合测量、PBS、后选择 1.2.2 斜置偏振片的变换 1.2.3 斜置半波片的作用 1.2.4 BBO晶体与参量下转换——极化纠缠光子对的产生 §1.3 量子测量及相关问题III——广义测量与POVM 1.3.1 广义测量 1.3.2 局域测量——POVM 1.3.3 POVM举例 1.3.4 Neumark定理 §1.4 量子测量及相关问题IV——测量导致退相干的唯象模型研究 1.4.1 量子测量的纠缠退相干模型——von Neumann正交投影测量模型 1.4.2 von Neumann正交投影模型的典型例子——Stern-Gerlach装置对电子自旋的测量 §1.5 量子测量及相关问题V——量子非破坏测量简介 1.5.1 标准量子极限 1.5.2 量子非破坏测量的定义 1.5.3 QND所必须满足的充要条件 1.5.4 QND的局限性 §1.6 量子测量及相关问题小结 1.6.1 量子测量中时间坍缩和空间非定域性的问题 1.6.2 量子测量理论中存在的问题 练习题 第一章参考文献 第二章量子双态体系
连续变量1.5μm非经典光场产生的理论和实验研究
连续变量1.5μm非经典光场产生的理论和实验研究 【摘要】：在过去近五十年里,量子光学研究的重大进展之一就是非经典光场的产生及其在量子信息研究领域的应用。量子信息研究最早起源于研究单粒子分离变量系统,后来拓展到具有无限维希尔伯特空间的连续变量体系。连续变量量子信息具有高的探测效率、可获得决定性纠缠、传输比特率高等优越性,所以引起了人们广泛的研究兴趣。近年来,利用连续变量的决定性量子纠缠已完成了量子保密通信、量子密集编码和量子纠缠交换等连续变量量子通信研究领域的重要原理性实验,但所用光源都集中在1.06μm和1.08μm波段。要实现实用的量子通讯系统,非经典光场需要在光纤中传输,上述的波长在光纤中传输损耗很大,特别是其量子特性随传输距离呈指数衰减。这就需要将非经典光场的波段扩展到光纤通信的最低损耗窗口—1.5μm。本学位论文围绕连续变量 1.5μm光通信波段非经典光场的产生开展了一系列的理论和实验研究工作。完成的工作主要包括以下几个方面:1)制备了1560nm高功率连续单频激光光源,并采用共焦FP腔弱反馈技术改善光源质量。我们采用单频半导体激光器作为种子源注入掺铒光纤放大器技术,首先获得光通信波段的高功率连续单频激光光源,作为产生该波段非经典光场的泵浦和注入信号光场。实验上在种子源注入功率1mW时,产生最大输出功率为2W的连续单频1560nm激光输出。由于半导体激光器本身固有的噪声以及光纤放大器自发辐射等原因引入的噪声,输出激光强度噪声和位相噪声远高于散粒噪声极限,我们
采用共焦FP腔弱反馈技术,压窄了光源的线宽,并降低了光源的强度噪声和位相噪声,为后续实验提供了较好的光源。2)利用准相位匹配晶体外腔谐振倍频获得了高效780nm激光光源。首先在理论上分析了获得最佳倍频效率的条件以及各参数的容差,作为实验研究的理论指导。泵浦源采用上述1560nm连续单频激光光源,泵浦用周期极化铌酸锂晶体构成的倍频腔,通过外腔谐振倍频技术,获得高效倍频780nm激光输出。当泵浦功率为960mw时,780nm激光输出为700mW,最大倍频效率为73%。采用锁相放大技术及电子伺服系统锁定倍频腔,使780nm倍频激光长期稳定运转。3)采用光学参量过程获得压缩度为2.4dB的1.5μm连续变量真空压缩态。参量振荡器采用两镜驻波腔,非线性晶体为周期极化铌酸锂晶体。采用1560nm光场作为注入信号光场,780nm光场作为抽运光场,通过阈值以下简并光学参量振荡器获得了压缩度为2.4dB的1.5μm连续变量真空压缩态。并在理论上数值分析了抽运光场和信号光场额外噪声对于产生压缩态光场压缩度的影响。4)理论上设计了采用两个1.5μm单模压缩态光场在分束器上耦合获得1.5μm纠缠态光场的理论模型,数值分析了抽运场额外噪声以及耦合过程中模式失配对于所产生纠缠态光场的影响。讨论了在实验上所需要解决的技术问题,为产生连续变量1.5μm纠缠态光场实验研究做了充分的准备。在上述研究工作中,属创新性的工作有以下几方面:1.在实验上首次获得了连续变量1.5μm光通信波段压缩真空态。2.利用准相位晶体外腔谐振倍频技术获得高效率780nm连续单频激光光源。3.利用种子源注入放大技术及共焦F-P腔外腔弱反馈技术,获得
连续变量量子纠缠的产生和条件克隆
连续变量量子纠缠的产生和条件克隆 【摘要】：量子纠缠作为量子物理世界中的独特资源,它的出现改变了我们信息处理的方式,可以保证我们信息通讯的绝对安全和提供更为强大的计算能力,从而被广泛应用到量子密钥术、可控量子密集编码、量子离物传态和量子计算等量子信息科学中。另外,空间上的多模纠缠还可以用于提高图像成像质量；不同频率之间的多组份纠缠可以用于不同波长的光学系统的联接和作为连接量子存储的原子能级和通讯窗口的桥梁。因此量子纠缠的产生和研究已成为量子信息科学中最重要的工作之一。本文主要研究了以下关于连续变量量子纠缠的相关内容：1.为了产生高质量的纠缠源,首要条件是获得低噪声的激光光源。我们采用两种不同的方法对光纤激光器的噪声进行了抑制：前置电光反馈和模清洁器,抑制后光纤激光器的噪声在3MHz以后达到散粒噪声极限,最大噪声抑制高达27dB。2.在一个参量放大器中同时产生了两对高阶模纠缠态(HG01和HG10),其中HG01模的纠缠方差为3.42,HG10模的纠缠方差为3.34。并表明此纠缠态为同时具有轨道角动量纠缠和自旋角动量纠缠的超纠缠态,这种超纠缠态可以用于量子密集编码中,以提高量子信道容量。在此基础上,给出了一种产生高阶模四组份cluster纠缠的产生方案,并在实验上获得了四组份cluster纠缠。3.介绍和研究了OPO、SHG中量子多色三组份纠缠的产生情况。对倍频过程中额外噪声产生的原因进行了分析,为下一步实验工作指明了方向。本节中,从理论上给出了一种产生三组份纠缠的新方案,指
出产生量子多色三组份纠缠的最佳过程并不是在单纯的OPO过程,也不是在SHG过程中,而是一种SHG和OPO的中间过程OPDA。对于OPDA过程,给出了实验方案和一些实验结果,通过此过程中产生了5dB的1080nm两组份纠缠光。此量子多色纠缠可以用于不同波长的光学系统的联接和作为连接量子存储的原子能级和通讯窗口的桥梁。 4.首次将条件制备技术应用到了量子克隆过程中,提出了一种连续变量量子纠缠态的条件克隆方案。本克隆方案中仅用到线性元件,例如；光分束器、平衡零拍探测和条件测量,具有可控性和易操作的优点。通过我们的方案,克隆后的输出态可以保持良好的纠缠特性和保真度,纠缠态的条件克隆可广泛应用于量子信息领域中,例如量子计算过程中的纠错,量子密钥分发过程中的量子窃听。本文的创新之处：1.实验上采用两种不同的方法对光纤激光器的噪声进行了抑制。2.实验上产生了同时具有自旋角动量纠缠和轨道角动量纠缠的连续变量超纠缠态和高阶模四组份cluster纠缠。3.实验上分析了Ⅱ类非线性过程额外噪声的来源,理论上给出了通过Ⅱ类非线性过程产生三色纠缠的最佳条件及实验方案。4.提出了一种有效且可行的连续变量纠缠态的条件克隆方案。【关键词】：量子信息光纤激光器噪声抑制光电反馈模清洁器纠缠超纠缠态cluster纠缠态拉盖尔高斯模厄米高斯模参量振荡倍频条件克隆 【学位授予单位】：山西大学 【学位级别】：博士
浅谈基于连续变量的量子通信
浅谈基于连续变量的量子通信 【摘要】量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，这一新兴学科揭示了量子力学在信息科学中的应用，近年来连续变量的量子通信应用发展迅速，本文就基于连续变量的量子通信的发展做一简述。【摘要】量子通信；连续变量；研究概况 1 量子通信的研究 量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，这一新兴学科揭示了量子力学在信息科学中的应用，涉及了量子物理学、信息科学和计算机学等多种学科，其潜在的应用价值和重大的科学意义，为信息科学展示出美好的前景。量子通信是量子信息学的一个重要分支，其理论是基于量子力学和经典通信，即量子通信是量子力学和经典通信相结合的产物。对量子通信的研究是为了实现人们能够通过量子信道传递经典或量子信息，并确保所传输的信息绝对安全的愿望早在1969年，哥伦比亚大学的年轻学者Wiesner.S.就提出了采用量子物理的方法来保护信息安全的想法，但由于技术手段实现的困难，使得他的想法只是一个不太现实的设想。10年后的1979年，IBM公司的研究人员Bennett.C.H和加拿大蒙特利尔大学的研究人员Brassard.G认真研究了Wiesne.S.的观点，认为可以将Wiesne.S.的设想用于传输信息。两人在1984年提出了著名的量子米要分法（QuantumKeyDistribution，Q.K.D）的概念，以及第一个量子密钥分发协议（BB84协议）[1]，由此，迎来了量子密码学的新时期，同时标志着量子通信理论的诞生。 2 基于连续变量的量子通信 量子通信与量子计算是量子信息的两大主要研究领域，都是最近20多年才发展起来的新型交叉学科。量子通信是量子论与信息论相结合的产物，因而也是通信与信息领域研究的热点前沿。其主要研究领域包括量子密码术、量子远程传态、量子密集编码。其中量子密码术由包括量子密钥分配、量子秘密共享、量子认证、量子安全直接通信、量子比特承诺等。按量子通信的载体来分，可分为基于分立变量的量子通信和基于连续变量的量子通信两大类。在量子通信的较早阶段，人们研究的多是基于分立变量的量子通信，这时通常是以单粒子或纠缠粒子的分立量子态作为信息的载体。目前正在广泛而深入地开展连续变量量子通信的研究，以克服单光子通信中存在的问题。对于主要以单光子或纠缠光子对作为信息的载体的分立变量的量子通信来说，其具体的物理实现存在着一系列难题制约着量子通信的有效性与安全性。一是，尚缺乏理想高效的单光子源，因而会带来信息的泄漏；二是，单光子的传输距离有限，目前在可接受的误码率下能传输的最远距离约为150Km；三是，目前的单光子探测器，其探测效率约为10%-20%，其“Geiger”工作方式决定了其工作频率很难超过MHz的良机。这些难题的存在促使人们去研究新的实现方式，特别是应用于量子通信领域中最有可能实用化的量子密要分配中。对于目前已有急于想干态、压缩态和纠缠态为基础的很多种量子密钥分配协议[2]，其安全性也得到了很好的证明[3]。这些协议编码所用的变量时刻连续取值的坐标、动量、振幅以及相位等。因为这些编码变量是连续变化的，通常称为连续变量量子密钥分配协议。连续变量量子密钥分配所需光源发射频率高：使用多光子光源，信号较强，适合远距离的密钥传输：不需要复杂的单光子探测器而且采用零拍探测测量光强，通常在室温提条件下进行，而且几乎不
《量子通信中的信息安全技术及比较》
量子通信中的信息安全技术及比较 量子，作为量子世界中最小的能量单位；通信，指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递；但是，当两者合二为一后，又会发生怎样的化学反应？又该给21世纪的科研界带来怎样的惊喜？ 量子通信，是一种利用量子纠缠效应进行信息传递的新型的通讯方式。而量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等…… 2004年的6月3日，世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。这个由美国BBM技术公司研发的量子密码通信网络和现有的宽带网并没有太大的不同，也是采用普通光纤传输数据，并且与普通网络完全兼容；不同之处是该网络中传输的数据采用了量子密码技术进行加密。量子密码是利用量子存在状态作为信息加密、解密的密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠态。在量子世界中，量子作为最小能量单位，存在着一种“纠缠”效应。而这种量子间的纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。这种“纠缠”效应能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间无关。另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这种变化时不可能被第三者所知获的。利用量子的纠缠效应，我们可以进行绝密和瞬时的通信。量子密码技术是一种截然不同的加密方法，是密码编制人员追求的最高境界。主要是利用两种不同状态的快速光脉冲 , 来以无法破译的密码传输信息。任何想测算和破译密钥的人，都会因改变量子状态而得到无意义的信息，而信息合法接收者也可以从量子态的改变而知道密钥曾被截获过。单量子态有两个特殊的脾气，使它能“守口如瓶”：一是根据量子不可克隆原理，未知的量子态不能被精确复制，所以人们不能像复制钥匙一样复制量子态；二是由于量子不确定性原理，任何试图对它“不轨”的举动，都会毁坏套在信息上的量子密钥“信封”，使盗贼自暴形迹。从理论上来说，用量子密码加密的通信不可能被窃听，安全程度极高。因此，量子密码通信是目前唯一被证明是绝对安全的保密通信。美国《商业周刊》把它列在了“改变人们未来生活的十大发明”的第三位。据美国权威机构估算，量子保密通信系统一旦商用，将形成高达10亿美元的市场。 1993年, 六位来自不同国家的科学家提出了利用经典与量子相结合的方法将一粒子的量子态传递给另一个粒子, 而此粒子仍留在原处, 称其为量子远程传态。目前的理论和实验