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随着量子信息和量子计算的飞速发展,量子纠缠的应用优势越来越突出,量子纠缠表现为多体量子系统间非局域,非经典的关联,可用在量子密集编码、量子隐形传态、量子密钥分发、远程态制备、量子搜索算法等领域中。这些以量子纠缠态为物理资源的量子信息处理在安全方面有经典信息和经典计算无可比拟的优势。因此,对量子纠缠态的研究是量子信息处理的重要内容,对纠缠态的分析是获得相关研究数据的重要部分。本论文研究了基于腔输入输出过程的Bell态分析器和原子GHZ态分析器的方案,主要内容分如下四部分:
第1章 简要介绍了量子信息基础,包括量子计算、基本量子态、量子纠缠、量子通信等。对于量子计算,我们主要介绍了量子比特,量子逻辑门,以及用量子光学方法实现若干量子逻辑门;对于基本量子态,我们主要介绍了纯态和混合态、粒子数态、相干态;对于量子纠缠,我们主要介绍了量子纠缠的定义以及量子纠缠态常见的几种类型;对于量子通信,我们介绍了量子密集编码,量子隐形传态以及量子密钥分发。
第2章 简要介绍了控制相移门的实现过程。第一节介绍了腔量子电动力学,介绍了腔中原子和腔场基本作用模型;第二节介绍了腔输入输出过程;第三节介绍了基于原子和光子之间的控制相位门操作,即光子的Duan-Kimble模型,通过腔输入输出即可实现基于光子比特或原子比特的大规模分布式量子计算,但其实验实现要求很高;第四节介绍了实现原子系综比特之间控制相位门操作。第五节介绍了原子比特和相干光脉冲之间的控制相移门,即在基于光子的Duan-Kimble模型上的进一步改进,主要包括将Duan-Kimble模型的适用范围从原子腔场强耦合区域推广至中等耦合区域,从单光子飞行比特和单光子探测推广至光学相干态脉冲和零差探测。推广后的Duan-Kimble模型更容易实验实现;最后第六节进行了讨论。
第3章 是我工作的主要部分,提出了构造非破坏性的原子Bell态分析器和原子GHZ态分析器的方案。首先利用相干光与腔一原子系统的输入一输出过程构造受控相移门,然后利用受控相移门和零差探测技术构造宇称分析器,最后利用宇称分析器和Hadamard等操作构造非破坏性的原子Bell态分析器和原子GHZ态分析器。方案的优势在于:(1)利用到相干光源和零差探测技术,比以往方案中的单光子源和单光子探测较易实现;(2)构造的原子Bell态分析器和原子GHZ态分析器是非破坏性的。方案用到的所有方法和技术在目前的实验上都是可以实现的。
第4章 对本文的工作做了总结和展望。