量子纠缠与量子关联的计算及应用

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量子信息论作为在经典信息论和量子力学基础上发展起来的交叉学科,在近三十多年里获得了飞速的发展。量子力学中的一个基本概念——量子纠缠(一种非经典的关联)一直被当作是量子计算和量子信息中最主要的资源。然而人们逐渐意识到量子纠缠并不是唯一的一种量子关联,其它非纠缠的量子关联在量子信息处理过程中同样扮演重要的角色。量子失协,作为量子纠缠的补充的一种量子关联,被证实在量子纠缠消失的情况下仍然可以进行量子计算。量子关联作为量子信息处理的一种重要资源已经被广泛接受,它同时还表现出跟纠缠不一样的特殊性质。这篇论文介绍了量子纠缠和量子关联的几种常见的度量定义,并作简单讨论。主要研究了在辅助系统下以一定概率区分两个非正交量子态所需要的关联,纠缠还是量子关联,还是两者都不需要。还研究了封闭量子系统在不同的噪声环境下其量子关联的演变,这显示出量子关联演化过程中的奇异性质。本文主要包括以下方面:1.量子不可克隆原理告诉我们,对于两个未知的量子态,不可能绝对准确地克隆它们,除非这两个态正交或者是同一个态,这归根到底是态叠加原理造成的。这同样隐含着我们不可能绝对准确地区分两个未知的非正交态,但我们可以通过一定方法以某种概率不完全确定地进行区分。我们研究了辅助系统下不确定地最优区分两个不正交态,计算了主系统与辅助系统之间的量子关联,给出最优区分时所需要的最少关联。我们指出在未知的非正交态的权重概率相等时,存在可能的最优区分协议,这种协议在辅助系统和主系统之间不需要量子关联即可实现。2.我们研究了密度矩阵具有X对角型的两量子比特系统只有第一个量子比特分别在三种不同的量子噪声环境中时量子关联的演化,选取了振幅噪声、相位噪声和去极化噪声,并给出环境影响下量子关联的解析结果。我们发现单边的噪声环境下量子失协在演化过程中会出现衰减率的突然改变,这完全是一个量子现象,而复合的噪声环境对于这一现象不是必要的。衰减率的突然改变这一现象对噪声环境来说不是充分的,合适的量子态的选取同样重要。
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