量子系统自测试研究

量子系统自测试研究如何利用量子系统本身来测试其可信性,即根据量子设备的经典输入输出之间的统计关系来确认设备中所制备的量子态和所执行的量子测量.在经典世界中,要实现这种"设备自己测试自己"的目标并不可行,但量子力学中的非局域性却使这种自测试成为可能.量子系统自测试是设备无关量子密码协议的理论基础.综述了量子系统自测试领域的研究进展.具体来说,首先详细介绍了由两粒子最大纠缠态(即单态)及相应量子测量所构成的两方量子系统的自测试,包括测试1对量子态的CHSH方案、Mayers-Yao方案、(2,2,2,2)通用方案、(N,N,2,2)链式Bell方案,和测试2对量子态的双CHSH方案、魔方方案等.在此基础上,简要介绍了两方部分纠缠态及多方量子系统的自测试方案.最后对量子系统自测试未来的发展进行了展望.     

量子态的极大可操控相干性

定义两体量子系统中量子态的极大可操控相干性,证明当且仅当量子态为经典关联态时量子态的极大可操控相干性是0,并且得到了任意量子态的极大操控相干性的上界。研究局部量子信道对量子态的极大可操控相干性的影响,分别得到了增加或减少极大可操控相干性的局部量子信道的充分或必要条件。     

量子态可分离性的特性函数准则

量子纠缠是量子信息科学的主要特征之一,与量子力学的基础密切相关.判定一个给定的量子态是否纠缠通常并不容易.基于量子态的特性函数或特性矩阵,我们提出一种新的两体量子态可分离性准则.我们使用局域滤波变换和局域旋转变换简化量子态的特性矩阵,而保持量子态的正定性和纠缠与否的性质不变.海森堡-外尔矩阵基的研究使得这些局域变换简单易行.局域变换极大地简化了特性矩阵,新准则用简化了的特性矩阵的非零元素来构造.针对Peres-Horodecki准则不起作用的3×3系统一些主要的量子态,我们比较了新准则与重排准则及相关矩阵准则的异同.结果表明,对大部分量子态,我们的新准则比重排准则有更好的性能.该新准则非常容易计算,对任意维数的两体可分离性都适用.     

利用3-Λ型五能级原子介质操控纠缠态

通过分析3-Λ型五能级原子系统的暗态极化子,讨论三模量子场与原子介质的信息转换过程以及三个信号场之间的信息转换过程.研究结果表明,利用3-Λ型五能级原子系统,可以存储三模量子态,从理论上解释了三模量子信息在介质中的"写入"和"读出"过程.另外利用3-Λ型五能级原子系统还可以操控某些纠缠态,如实现纠缠态的生成、存储、读出、转换等.     

三体量子系统中AB→C导引的探测

本文基于三体量子系统中量子导引方案的概念与已有的等价刻画,研究AB→C导引的探测问题.首先,揭示了三体量子态ρ~(ABC)的AB→C可导引性与其约化态ρ~(AC)的A→C可导引性及约化态ρ~(BC)的B→C可导引性之间的关系;其次,通过推导出AB→C不可导引态必须满足的一个不等式(称为导引不等式),得到了量子态为AB→C不可引导态的必要条件.基于导引不等式,我们引入了量子态ρ的导引半径S (ρ),并且证明,当ρ是AB→C不可导引态时, S (ρ)≤1;当S (ρ) 1时,ρ与任意AB→C不可导引态η的凸组合tρ+(1-t)η都是AB→C可导引的,其中t_0:=2/S (ρ)+1t≤1.最后,作为导引不等式的应用,证明了三体GHZ态、广义GHZ态及W-态与任意AB→C不可导引态的"部分凸组合"的AB→C可导引性.     

量子态的非局域关联性

在普遍的两个自旋1/2粒子量子态下证明了局域实在论与量子力学是不相容的,推广了Hardy在两个粒子非最大纠缠态下关于Bell 定理的证明.通过纠缠态下广义量子不可克隆定理中的正交条件的转移证明了量子力学非局域关联性.     

基于非对称量子信道的非局域N-qubit受控幺正门的网络设计与优化

本文提出在非对称量子信道辅助下有效地实现非局域N-qubit受控幺正门的局域操作方案.分别设计两个量子网络去实现该非局域门.方案一用(N–2)个对称的qubit-qubit Bell态和一个非对称的qubit-qudit Bell态作为量子信道.它利用qubit-qudit Bell态中qudit的(N–2)个附加能级将(N–1)个非局域控制态的多个计算基态"隐藏"起来,简化了该非局域门的操作.该方案的缺陷是,qudit的能级和所耗费的1-qudit门随N增加.在不改变网络功能的条件下,方案二用(N–1)个非对称的qubit-qutrit Bell态作为量子信道,对方案一进行了优化.该方案分别利用(N–1)个qutrit的第3能级仅将(N–1)个非局域控制态的某个计算基态"暴露"于随后的操作,进一步降低了网络的复杂度,提高了操控速度.值得注意的是,两个方案在不使用辅助系统的条件下所需的局域二体门仅为(3N–4)个.     

多比特量子纠缠态的隐形传送

在量子信息处理中,量子比特常常处于叠加态,围绕如何隐形传送多比特量子态提出了一种用N个EPR对隐形传送N比特量子态的传输方案,通过N次联合操作实现N比特量子态的传输.其操作为局域操作并且在目前技术条件下可以很容易实现,与单粒子量子态传输相比, 多比特量子态可以传送更多信息.     

半导体量子点中电子态的绝热捷径控制

量子态的精确制备和相干控制是量子信息处理和固态量子计算中的重要任务.近年来,量子绝热捷径技术已经被广泛用于原子的冷却、转移等量子信息处理过程,旨在加快绝热慢过程,提高量子态制备和传输的保真度.介绍了量子绝热捷径技术中不变量反控制法、量子无摩擦动力学等不同方案在半导体量子点中电子态快速且高保真的控制应用,并分析了各类方法以及环境退相干等系统因素对量子态操控的影响.     

乘积态的一类充分必要条件

探讨了两体量子系统量子互信息、几何量子失协和弱几何量子失协之间的关系,并给出了两体量子系统上一个量子态为乘积态的一类充分必要条件。     

多体复合量子态基于可观测量算子的纠缠测度

近些年，人们对量子纠缠的量化已经有了许多深入的研究，但是，许多已有的纠缠度量还是难以计算的。LuoShunlong基于互信息提出了两体量子态的可观测量关联，并得到了两体量子态的一类纠缠测度。本文将两体系统的纠缠测度推广到多体复合量子系统，并证明了其满足纠缠测度的必要物理条件。     

量子导引在结构化环境中退相干演化

以腔量子动力学系统为研究对象,讨论量子关联态的可导引性在结构化光场环境中演化规律.系统与各自环境的相互作用导致了量子退相干,其过程可以通过量子噪声信道描述.从数学几何角度,我们通过量子导引椭体球的动态形变和体积变化,研究两体量子纠缠态中量子可导引性的动力学过程,分析了量子退相干对量子导引非对称性的影响.我们发现,随着量子关联态的演化,系统和各自环境的耦合会大大改变量子导引椭体球的形态,压缩其体积,从而降低量子导引.与单个系统经历量子噪声信道相比,在2个系统同时经历噪声信道的情形中,量子导引椭体球的形变更加剧烈.另一方面,当系统与环境发生强耦合时,与相同时间段内的弱耦合情况相比,量子导引的衰减被加速.     

确定性地实现非局域高维量子Toffoli门的网络设计与优化

本文提出确定性地实现非局域高维量子Toffoli门的操作方案.分别设计两个量子网络实现该非局域门.方案一是Eisert等人方案的高维推广.该方案的缺陷是需在靶端执行一个高维三体门.直接实现多体高维量子门,在目前的技术条件下仍存在一定的困难.在不改变网络功能的条件下,对方案一进行了优化.通过在靶端引入辅助的三维粒子(Qutrit),有效地降低了网络的复杂度.方案二的简单性及其对资源的有效利用等特点,使其在目前的实验条件下更具可行性和更加适用于大规模量子网络.     

无限维两体量子系统态的一些纠缠判据

探讨了无限维两体复合量子系统态的可分性问题,利用局域不确定性关系提出了无限维两体量子态可分的一些必要条件,得到了可分态所满足的一些不等式,推广了作者Otfried Guhne（PhysRev Lett,2004）和Zhang Chengjie（Phys Rev A,2010）的有限维的相关结果,对于识别无限维量子系统态的可分性是一个补充。     

混合固态量子信息处理器

基于混合固态系统提出一种量子态操控理论模型.该模型通过一个电流偏置约瑟夫森结作为可调耦合器连接两个传输线谐振腔.我们将一个自旋系综作为信息存储器放置在右侧的传输线内,将超导量子比特作为信息处理器与左侧的传输线耦合.该模型可以实现处理器与存储器之间的量子信息一步转换.该模型有望成为量子信息处理的基础器件.     

复合脉冲控制阶梯型多态量子系统的转移通道

提出了利用复合脉冲在阶梯型多态量子系统中操控量子态演化和粒子数相干转移的方法.首先通过Morris-Shore变换,借助二能级传播算子描述多态量子系统的演化.然后利用增加脉冲序列数且单个脉冲的相位可控的技术,抑制额外的转移通道,实现高效率高鲁棒性的量子态操控和粒子数转移.最后通过数值模拟研究了额外通道和转移通道的拉比频率比、脉冲面积的变化、单光子失谐偏离零点等因素对转移效率的影响.结果表明:常被用于二能级量子系统的复合脉冲操控方法也可被应用于多态量子系统.通过增加脉冲序列数,可有效减小相关参数的扰动,保持高效率的粒子数转移.多脉冲序列复合脉冲的技术可以解决偏振不纯、激光频率不纯、控制参数扰动等造成的量子态操控效率降低等问题.研究结果对构造量子门、量子模拟等相关研究具有重要意义.     

一类两体非X-型量子态的量子失谐

量子失谐是近年来被发现的除量子纠缠外很重要的一种量子关联,是量子信息中两种表达式的差异.针对两体X-型量子态的量子失谐的研究有很多,但对两体非X-型量子态的研究较少.讨论一类含4个参数的两体非X-型量子态的量子失谐.通过对量子测量进行酉变换,得到经典量子关联.最后运用拉格朗日乘数法来求其量子失谐的极值,给出这类两体非X-型量子态量子失谐的解析解.     

光纤耦合的腔量子电动力学系统中的分布式量子信息（英文）

光纤耦合的腔量子电动力学系统是一个完美的理论模型,可以实现决定性的量子信息过程.该文综述了最近在光纤耦合的腔量子电动力学系统中实现分布式量子信息处理的工作.讨论了如何在该系统中实现量子态传输、纠缠分配和量子逻辑门,并概述了多种不同的方案,如共振耦合、绝热操控、虚激发过程.最后,讨论了这个方向上的实验进展.     

利用冯·诺依曼熵获得最大纠缠态的形式（英文）

纠缠在量子信息处理中有许多重要的应用,正如Bell态对量子通信的实施是必不可少的.考虑如何得到Bell态,本文提出了一种用冯·诺依曼熵求解二体或三体系统中最大纠缠态表示形式的方法.计算二体或三体系统的量子态的冯·诺依曼熵,并将约化密度算符与用Bloch矢量表示的密度算符进行比较.根据密度算符具有正的、厄密性的特点,得到了最大纠缠态解析式,如Bell态和GHZ态.     

利用两个二粒子部分纠缠态实现两个目标共享的量子隐形传态

提出利用两个二粒子部分纠缠态实现单粒子量子态的隐形传态方案。首先考虑两个目标共享的、概率性的量子隐形传态;然后进一步考虑单个目标确定性的量子隐形传态。在这两个方案中,量子态的发送者的局域正定算符值测量(POVM)起着关键作用,并给出了该测量算符的数学表式。该方法可用于当两部分纠缠态的最小Schm idt系数μ和v满足条件2μ 2v-2μv-1≥0的情形。