多量子比特系统中形成纠缠的单配性及其应用

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量子纠缠作为量子信息处理中的一类重要物理资源,在超密编码,量子隐形传态,单向量子计算等领域有着重要的应用。目前,对于两量子比特系统中的纠缠描述已有了很好的研究结果。但是,多量子比特系统中的纠缠结构和多体纠缠的描述以及量化还没有很好的解决。描述和量化多量子比特系统中的纠缠性质成为当前量子纠缠理论中的一个重要课题。  纠缠单配性是多体量子系统的一个重要性质,利用这一性质可以描述多体系统中的纠缠结构。2000年,Coffman,Kundu和Wootters证明了在3-qubit系统中,协并度(Concurrence)的平方服从单配性不等式,并引入了“Three-tangle”来度量系统中真正的三体纠缠。2006年,Osborne和Verstraete将这一单配性不等式推广到了N-qubit系统。但是,基于协并度的单配性不等式不能用来描述所有的多量子比特纠缠结构。本文针对这一问题对纠缠单配性和多体纠缠结构进行了深入的研究,主要研究两方面内容:首先,对于多量子比特系统,我们分析了形成纠缠平方(SEF)的单配性与多体纠缠结构的关系,致力于探索与多体纠缠性质一一对应的纠缠单配性的量化描述。其次,我们分析了多体系统中形成纠缠平方(SEF)单配性的等级结构。  论文共包括四章,其中第二章到第四章是我们的主要工作。第一章介绍了量子纠缠度量和纠缠的分布特性等基本概念。第二章给出了N-qubit纯态中形成纠缠的平方(SEF)服从单配性关系的解析证明,并进一步把此结论推广到了N-qubit混合态。第三章基于SEF的单配性质构造了两类多体纠缠指示子,其中第一类纠缠指示子可以指示所有的N-qubit混合态中的多体纠缠;第二类纠缠指示子具有较好的计算性并且可以应用到多体纠缠动力学描述中。此外,我们还分析了量子失谐平方(SQD)的单配性与形成纠缠平方(SEF)的单配性之间的关系。第四章证明了在N-qubit系统中形成纠缠的平方(SEF)服从一系列具有等级关系的k体单配性关系。在此基础上我们构造了同样具有等级关系的多体纠缠指示子,并用其探测到N-qubit W态中的多体纠缠以及复合腔库系统中多体纠缠的动力学演化。最后,对于多体多能级系统,我们得到形成纠缠平方(SEF)的单配性优于协并度平方(SC)的单配性。论文最后一部分给出了一个简要的研究结论和今后的研究展望。
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