量子纠缠的直接测量研究
量子信息是由量子物理和信息科学的交叉而发展起来的新兴学科，包括量子通信、量子计算和量子调控等。量子纠缠是量子信息处理中的重要资源，在量子信息和量子物理基本问题的研究中扮演着重要角色，甚至可以说没有量子纠缠就没有现代的量子信息。而在量子信息处理过程中，所需要的纠缠资源常为最大纠缠态，或者纠缠程度已知的非最大纠缠态。这样，关于量子纠缠的探测和纠缠程度的度量，以及在实际物理系统中如何间接或直接测量纠缠，已引起人们的广泛关注。本文将在对现有的量子纠缠的探测和度量方法进行分析的基础上，以纠缠并发度为纠缠度量方法，研究光学系统和原子系统的量子纠缠的直接测量方案，包括纯态和混态的纠缠并发度的直接测量。所做的主要工作有以下几个方面内容: 1.依据两比特纠缠态的形成纠缠度与并发度之间的关系，对几个常见量子态的并发度进行了计算，发现它们可用解析式来表示。研究两比特任意纯态纠缠并发度的直接测量量子线路方案，针对两比特任意纯态的两个拷贝所组成的复合系统，当重新组合量子位对，并将其从普通两比特基下的表示转换到合适的两比特贝尔基下表示时，发现当选择贝尔基（单重态）进行测量时，可以从测量概率中直接得到两比特任意纯态的纠缠并发度。 2.基于对腔衰减的探测设计出了能够直接测量一般两原子纠缠态的并发度的物理方案。以人型三能级原子的两个基态编码量子比特，提出了直接测量两原子一般纠缠纯态并发度的物理方案:将处于一般两比特纯态的原子对的两个拷贝（四个原子）分别囚禁在四个光腔中（初态为真空态），对四个光腔同时施加经典光场进行调控。当原子激发态和两基态间的跃迁频率与经典场及量子化光场的频率均为大失谐时，激发态将从原子态的演化过程中解耦，每一个原子-腔场系统将以等效二能级系统方式演化。因此，只要选择合适的相互作用时间，原子态将转移到腔场态上。在接下来的探测阶段，从不同光腔中泄露出来的光子经分束器干涉作用后，将被单光子探测器进行持续探测。在选定的探测时间段内，我们可以由四个单光子探测器的特定符合探测的概率直接获得两原子一般纯态的纠缠并发度。 3.研究了原子混合态并发度的直接测量。上述原子纯态并发度的直接测量物理方案，也可用来对一些特殊类型两原子纠缠混合态并发度的直接测量。经过类似的操控过程， Collins-Gisin混合态的并发度也能从四个单光子探测器的特定符合探测事件概率中直接获得。 对腔与原子相互作用时间、腔中原子消纠缠时间、原子态与腔场态转移时间、腔衰减时间和探测时间等实际条件进行分析可知，我们的物理方案在目前的实验条件下可行。此直接测量方案的一个优点是将原子作为驻态量子比特载体，而将光子作为飞行量子比特载体。充分利用对腔场衰减的持续探测，将对原子态的探测转为对单光子数的探测，可以方便地实现分离腔系统的远程操作。 4.提出基于偏振光子Bell态区分的光子偏振一般纯态纠缠的直接测量方案。依据对待测态的两拷贝组成的系统进行双边Bell态测量，可直接获得此态的纠缠并发度。该方案中用到的Bell态分析器只需对已有的分析器进行简单改进，即利用偏振分束器、半波片和单光子探测器构造Bell单态分析器，以实现将Bell单态与其它三个Bell态的完全区分。 5.提出基于奇偶宇称校验测量(Parity check)的两偏振光子任意纯态并发度的直接测量方案。该方案中需要两光子偏振任意纯态的两个拷贝，并由它们中的各一个光子来组成新的两个光子对，让它们同时通过能够区分两偏振光子奇态（偏振相异）和偶态（偏振相同）的奇偶宇称校验测量门。如果选择奇态为目标选择测量事件，则可以从三次奇态测量的总概率中直接获得两比特任意纯态的并发度。所用到的两光子偏振奇偶宇称非破坏性测量门可以利用偏振分束器、半波片、弱交叉克尔非线性媒质和零拍探测器来构造。 6.提出基于偏振无关分束器和单光子探测器的两光子偏振纠缠态并发度的直接测量方案。该物理方案需要让来自两拷贝态中各一个信号光子组成一新的信号光子对。当这对信号光子同时经过一个与光子偏振无关的平衡分束器后，利用单光子探测器对分束器的输出模中的光子数进行探测，选择平衡态（两输出模中各有一光子）的探测概率，就可以直接得到待测态的纠缠并发度。此方案只用到普通的分束器和单光子探测器，也只需单边测量，因而非常简单，大大增加了其在实验上的可行性。 7.组合利用偏振无关分束器和弱交叉Kerr非线性媒质，提出了对两光子偏振混合态（Collins-Gisin态）的并发度的直接测量方案。此方案使用弱交叉Kerr媒质构造辅助测量，以实现对分束器的输出模进行束态和平衡态区分探测。当重新组合的两对信号光子分别通过两个偏振无关平衡分束器后，选择分束器输出模中的平衡态为探测目标事件时，就可以实现两光子偏振混合态（Collins-Gisin态）并发度的直接测量。而且此方案也可用来对两光子偏振纠缠纯态的并发度的直接测量。进一步地，对考虑待测态的非全同拷贝，即存在拷贝偏差时，实际的测量结果与理论测量值间的误差进行了分析。与单边测量方案比较，我们发现，该双边测量方案中态拷贝的偏差对测量结果的影响要小得多，即对态拷贝的误差不敏感。
量子纠缠;直接测量;纠缠并发度;腔衰减;光子偏振纠缠态
安徽大学
博士
物理电子学
杨名;曹卓良
2014
中文
O431.2;O438
107
2014-10-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）