846 浏览摘要：量子纠缠是量子信息处理中一种重要的资源,被广泛应用于量子通信和量子计算的许多领域,例如量子隐形传态,量子密钥分发,量子安全直接通信,分布式量子计算等。量子纠缠形式有很多种,在二粒子系统中,最常见的是贝尔态纠缠。在三粒子系统中,主要有Greenberger-Home-Zeilinger（GHZ）态和W态。在多粒子系统中,有多粒子GHZ态,多粒子W态和团簇态等。然而量子纠缠是很容易受环境影响,比如噪声会导致光子丢失或者退相干等现象。研究发现,在实际的物理系统中,W态在环境中具有很好的鲁棒性。相较于其他的纠缠,W态即使在粒子丢失或者退相干的情况下,其他粒子也能很好的保持纠缠关系。而其他的纠缠,比如GHZ态在丢失一个粒子的情况下,所有粒子之间的纠缠关系都将会被打破。因此W态具有很好的抗噪声和抗退相干能力。此外研究表明,多粒子纠缠的尺寸越大,其在量子通信和量子计算中的量子优势就越明显,针对这个特性,我们研究了如何制备大尺度的混合纠缠W态。同时,对于物理比特来说,如果将物理比特编码成逻辑比特,将大大增强量子态在信道中的鲁棒性,所以制备逻辑W态也是本论文研究的另一个重要方向。本论文通过级联和融合的方式分别来设计上述逻辑W态和大尺寸混合纠缠W态的制备方案。为了增强量子态的鲁棒性,逻辑编码被广泛应用。级联GHZ态是一种逻辑比特纠缠态,实验证明它可以大大增强GHZ态的抗干扰性。基于此,我们提出了一种确定性级联W态的制备方法,可以制备任意尺寸大小的逻辑W态。我们先将W态的每个比特编码成由一个两物理比特构成的Bell态,然后推广到任意规模W态,最后将W态的每个比特编码成由一个m比特构成的GHZ态。另一方面,由于大尺度的量子纠缠具有明显的优势,我们利用量子融合的技术设计了两个和三个混合纠缠W态融合方案,来制备更大尺度的混合纠缠W态。我们利用相干态和偏振态混合量子位来形成这种混合纠缠资源。仅仅利用偏振分束器和探测器形成的混合贝尔态测量就完成了这一融合过程。形成的这种由相干态和偏振态形成的一种特殊混合纠缠W态或许可以大大提高量子计算的容错阈值,并将大大减少资源损耗。
关键词：量子纠缠;GHZ态;逻辑W态;量子融合;混合纠缠W态;
摘要
abstract
专用术语注释表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 量子通信
1.1.2 量子计算
1.2 研究意义
1.3 本文的主要工作及内容安排
第二章 相关量子理论知识
2.1 量子比特
2.2 量子纠缠
2.2.1 Bell态
2.2.2 GHZ态
2.2.3 W态
2.2.4 相干态
2.3 量子光学器件
2.3.1 相位片(Phase shift)
2.3.2 分束器BS(Beam splitter)
2.3.3 偏振分束器PBS(Polarizing beam splitter)
2.3.4 波片(Wave plate)
2.4 弱交叉克尔介质
2.5 本章小结
第三章 利用交叉克尔非线性产生任意规模的逻辑W态
3.1 量子奇偶校验测量(Parity-check measurement)
3.2 利用交叉克尔介质制备3光子的偏振W态
3.3 利用交叉克尔介质产生任意规模的逻辑W态
3.3.1 当m=2,n=3时的逻辑w态的制备
3.3.2 当n=3,m为任意值时逻辑W态的制备
3.3.3 当n,m均为任意数值时逻辑W态的制备
3.4 方案可行性分析与讨论
3.5 本章小结
第四章 基于贝尔态测量的混合纠缠W态的融合
4.1 传统的贝尔态测量
4.2 相干态的贝尔态测量
4.3 构造粒子交换门来完成偏振W态的融合
4.3.1 利用粒子交换门进行两个偏振纠缠W态的融合
4.3.2 利用粒子交换门同时融合三个偏振纠缠W态
4.4 基于贝尔态测量的混合纠缠W态的融合
4.4.1 两个混合纠缠W态的融合
4.4.2 三个混合纠缠W态的融合
4.5 讨论与分析
4.6 本章总结
第五章 总结与展望
参考文献
