基于交叉克爾效應的光學量子信息處理.pdf

1、光子對環(huán)境的魯棒性和易于傳輸?shù)奶匦?使得其成為理想的量子信息載體。因此,在眾多實現(xiàn)量子信息處理的物理系統(tǒng)中,光學系統(tǒng)始終是國內外科學家的研究熱點。人們通常將量子比特編碼在線偏振光的垂直和水平偏振態(tài)上,利用線性光學元件來完成相關的量子信息處理任務。然而正是因為光子之間很難發(fā)生相互作用,再加上線性光學邏輯門的概率特性,使基于線性光學的量子信息處理方案大多是非確定性的。交叉克爾效應通過使兩個不同空間模的光子相互調節(jié)相位,引入光子之間的相互作用

2、,為確定性的光學量子信息處理提供了理想的平臺。
　　本文首先對利用交叉克爾效應進行光學量子信息處理研究中的基本原理和常用方法作了系統(tǒng)的歸納總結,然后從弱交叉克爾效應和巨交叉克爾效應兩個方面研究了基于光子量子比特的量子信息處理過程。主要研究內容如下:
　　(1)弱交叉克爾效應方面:首先提出了簡化的光子量子比特宇稱測量儀。同現(xiàn)有的光子量子比特宇稱儀相比,本文中的宇稱儀減少了若干光學元件,同時將錯誤率由原來的10.5降低到了10.

3、72。另一角度來看,如果和原來的宇稱儀保持相同的錯誤率,那么簡化后的宇稱儀將對克爾效應的相移角度要求較小,這使得實驗上更容易實現(xiàn)。隨后利用提出的簡化量子比特宇稱測量儀,設計了完全的Bell態(tài)分析器。該分析器可以以接近1的概率非破壞性地區(qū)分出四個Bell態(tài)。并且利用該分析器完成了任意單比特光子態(tài)的確定性隱形傳送。此外,借助經典前反饋,提出了利用宇稱儀和線性光學元件制備任意多量子比特團簇態(tài)的方案。
　　(2)巨交叉克爾效應方面:利用解

4、糾纏的思想,提出了完全的多光子Greenberger–Horne–Zeilinger(GHZ)態(tài)分析器。相比于目前僅有的幾個GHZ態(tài)分析器,該分析器包含的光學元件最少,并且操作最簡單。另一個明顯的優(yōu)勢是,該分析器是可逆的,將分析器的輸出端和輸入端對調,即可得到利用直積態(tài)確定性地制備相應GHZ態(tài)的發(fā)生器。借助于GHZ態(tài)分析器,提出了僅僅使用一個Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)糾纏對作為量子通道實現(xiàn)多比特密集編碼的方

5、案。在該方案中,量子通道不隨經典比特數(shù)目的增加而改變,即無論傳輸多少比特的經典信息,量子通道始終是一個Bell態(tài)。此外,本方案可以用于制備非局域的GHZ態(tài)。接著構建了實現(xiàn)該方案的量子線路,證明了利用巨交叉克爾效應的光學系統(tǒng)可以確定性地實現(xiàn)這些量子線路。最后,提出了利用巨交叉克爾效應實現(xiàn)N粒子GHZ類態(tài)的量子隱形傳送方案。該方案中通信雙方共享最大糾纏的GHZ態(tài)作為通道,發(fā)送者通過局域的糾纏分析和經典通訊,可以使接收者完美地重構要傳送的態(tài)。