理想多自由度无相互作用费米气体系统的量子纠缠

对理想的具有自旋1/2和赝旋1/2两自由度费米气体系统的两体纠缠进行研究.结果表明:态空间的扩大,导致系统不超过4个费米子间的两体纠缠表现出类似于自旋1/2自由度的费米气体系统中两费米子间的纠缠分布,而完全不同于其对应的多个费米子间的约化两体纠缠分布;系统两费米子间纠缠存在的相对距离比单个自旋1/2自由度系统时增加了约1.7倍,并且由于两费米子间任一自由度的子纠缠始终为零,因此其中一个自由度的两费米子的子纠缠或量子关联来自于系统的相互作用.     

具有三体相互作用的自旋系统纠缠性质研究

研究了具有三体相互作用的三格点混合自旋(1/2,1,1/2),(1,1/2,1)铁磁XX系统的量子纠缠性质.探究了不同的自旋间纠缠随外界温度与三体相互作用的变化规律.研究发现当温度高于某个阈值时纠缠消失.对于自旋系统(1/2,1,1/2),自旋1/2和1的两格点间的纠缠消失的阈值温度随三体相互作用的增大而减小,而自旋1/2的两格点的阈值温度保持不变.当温度接近绝对零温时,这两种纠缠随三体相互作用的突变行为可以反映系统的基态突变.对于(1,1/2,1)混合自旋系统,自旋1和1/2的两格点间的阈值温度随三体相互作用的增大而减小,而自旋为1的两格点的阈值温度随三体相互作用的增大而增大.只有自旋1和1/2的两格点间的纠缠突变行为可以反映系统基态突变.这两种系统的纠缠均体现出了单配性原则.     

MG模型中纠缠态演化的研究

纠缠态是量子通信和量子计算的重要资源。讨论了量子纠缠态在Majumdar-Ghost自旋系统中的演化,纠缠态通过concurrence度量。数值计算结果表明纠缠度与系统耦合系数和演化时间相关。通过选择合适的系统演化时间、耦合系数,在自旋MG系统中可以实现高品质的量子纠缠态制备。     

No.7 利用量子相变确定性制备出多粒子纠缠态

正实现多粒子纠缠是量子物理实验研究的一大追求。清华大学物理系尤力和郑盟锟研究组,通过调控铷-87原子玻色-爱因斯坦凝聚体中的自旋混合过程,使其连续发生两次量子相变,实现了包含约11000个原子的双数态的确定性制备。通过直接观测该纠缠态,他们表征其不同内态间原子数的差值的涨落低于经典极限10.7±0.6分贝,其集体自旋的归一化长度为近似完美的0.99±0.01。这两个指标反映该多体纠缠态可以提供超     

基于ISWAP逻辑门的量子计算和纠缠态制备

研究在多体系统中实现普适量子逻辑门以及制备量子纠缠态,从实验中最为常用的相互作用出发,通过控制两比特之间的耦合,直接构建ISAWP逻辑门,基于这个基本的逻辑操作,可以实现量子计算中最为普适的两比特逻辑门,同时还利用这种相互作用制备了多比特的W态和Cluster态.     

不对称外磁场下XXZ型相互作用的两量子比特系统的纠缠

【目的】研究不对称旋转外磁场下两个相互作用的量子比特系统的量子纠缠。【方法】利用数值模拟,得到不对称旋转外磁场下两个相互作用的量子比特系统的4个本征态。为了刻画系统的纠缠,计算了各个本征态的concurrence。【结果】外加旋转磁场的极角以及相互作用的各向异性参数都会对4个本征态的纠缠产生影响。当各向异性参数Δ 由0开始增大时,系统的哈密顿量由一种极限下含外场的XX模型经过Δ=1时的海森堡模型逐渐演化为另外一种极限下的Ising模型。【结论】相互作用和外部磁场之间的竞争决定了系统纠缠的演化。通过对系统纠缠的研究,可以对系统在参数的不同区间范围内模型的转化以及本征态的性质有更进一步的认识。
     

基于单边微腔量子点耦合系统的极化纠缠浓缩

量子纠缠是实现量子信息处理任务的重要资源,一些在经典领域中无法实现的任务,可以借助量子纠缠来完成.然而,纠缠态在噪声的作用下会发生退相干,进而变成非最大纠缠态或混态,不再能完成预定任务.纠缠浓缩是从非最大纠缠态中提取最大纠缠态的过程.我们提出两个非最大纠缠Bell态纠缠浓缩方案,一个是未知系数非最大纠缠Bell态纠缠浓缩方案,另一个是已知系数非最大纠缠Bell态纠缠浓缩方案.方案中利用量子点微腔耦合系统来实现光子与光子之间的非线性相互作用,进而可以通过分级浓缩的方法提高浓缩方案的成功概率.两个方案都可以推广为多光子非最大纠缠GHZ态的纠缠浓缩.     

不对称外磁场下XXZ型相互作用的两量子比特系统的纠缠

【目的】研究不对称旋转外磁场下两个相互作用的量子比特系统的量子纠缠。【方法】利用数值模拟,得到不对称旋转外磁场下两个相互作用的量子比特系统的4个本征态。为了刻画系统的纠缠,计算了各个本征态的concurrence。【结果】外加旋转磁场的极角以及相互作用的各向异性参数都会对4个本征态的纠缠产生影响。当各向异性参数Δ由0开始增大时,系统的哈密顿量由一种极限下含外场的XX模型经过Δ=1时的海森堡模型逐渐演化为另外一种极限下的Ising模型。【结论】相互作用和外部磁场之间的竞争决定了系统纠缠的演化。通过对系统纠缠的研究,可以对系统在参数的不同区间范围内模型的转化以及本征态的性质有更进一步的认识。     

原子系综在二次方相互作用演化下多体纠缠特性

利用平均量子Fisher信息度量了在二次方相互作用下体系的相互纠缠的特性,同时也考虑了加上线性相互作用项后体系多体纠缠演化的特点,结果表明在线性和非线性共同作用下自旋体系的多体纠缠保持的时间更久。考虑了体系在噪声影响下的纠缠产生过程,发现即便是有噪声的情况下,原子体系也还具有很高的纠缠度。这对于量子多体纠缠在量子精密测量和量子通信中的应用都有着极其重要的作用。     

相位耗散腔QED系统中三体纠缠动力学的研究

利用加入非线性克尔介质的相位耗散腔QED系统,计算了系统的两体和三体量子纠缠,研究了非线性克尔介质对两体和三体纠缠动力学的影响。研究结果表明当非线性克尔系数χ和偶极偶极相互作用强度Ω取合适数值时,两原子间的稳态量子纠缠可以得到提高。另外,利用制备态保真度的方法对系统中的三体纠缠也进行了研究,发现随着时间的演化,真正的三体纠缠是可以在系统中出现的,特别,可以通过调整克尔系数χ和偶极偶极相互作用强度Ω来调节系统中三体纠缠出现的时间。     

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.     

利用部分纠缠的量子信道确定性地实现N→1和1→N的受控量子远程旋转

提出利用部分纠缠的量子信道确定性地实现多个发送者1个接受者和1个发送者多个接受者的受控量子远程旋转方案.首先考虑利用两个(N?M?1)粒子部分纠缠的Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态确定性地实现N个发送者在M个监控者的控制下确定性地将她们的旋转分别传给远处接受者的操作(N→1).然后考虑在一个(2K?M?1)粒子部分纠缠的Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)-GHZ态或K个(M+2)粒子部分纠缠的GHZ态辅助下,发送者随意地将她的旋转分为N份(NK)并在M个监控者的控制下确定性地将它们分别传给远处N个接受者的操作(1→N).方案中,量子旋转的发送者或接受者或监控者的正定算符值测量(POVM)起着关键作用,我们给出了它们的数学表式.值得注意的是,用非理想的量子信道可确定性地实现N→1或1→N的量子远程旋转.这些方案可用于量子秘密共享,量子选举等,它们具极强的保密性.     

Quantum annealing with manufactured spins

Many interesting but practically intractable problems can be reduced to that of finding the ground state of a system of interacting spins; however, finding such a ground state remains computationally difficult. It is believed that the ground state of some naturally occurring spin systems can be effectively attained through a process called quantum annealing. If it could be harnessed, quantum annealing might improve on known methods for solving certain types of problem. However, physical investigation of quantum annealing has been largely confined to microscopic spins in condensed-matter systems. Here we use quantum annealing to find the ground state of an artificial Ising spin system comprising an array of eight superconducting flux quantum bits with programmable spin-spin couplings. We observe a clear signature of quantum annealing, distinguishable from classical thermal annealing through the temperature dependence of the time at which the system dynamics freezes. Our implementation can be configured in situ to realize a wide variety of different spin networks, each of which can be monitored as it moves towards a low-energy configuration. This programmable artificial spin network bridges the gap between the theoretical study of ideal isolated spin networks and the experimental investigation of bulk magnetic samples. Moreover, with an increased number of spins, such a system may provide a practical physical means to implement a quantum algorithm, possibly allowing more-effective approaches to solving certain classes of hard combinatorial optimization problems.     

Experimental demonstration of five-photon entanglement and open-destination teleportation

Quantum-mechanical entanglement of three or four particles has been achieved experimentally, and has been used to demonstrate the extreme contradiction between quantum mechanics and local realism. However, the realization of five-particle entanglement remains an experimental challenge. The ability to manipulate the entanglement of five or more particles is required for universal quantum error correction. Another key process in distributed quantum information processing, similar to encoding and decoding, is a teleportation protocol that we term 'open-destination' teleportation. An unknown quantum state of a single particle is teleported onto a superposition of N particles; at a later stage, this teleported state can be read out (for further applications) at any of the N particles, by a projection measurement on the remaining particles. Here we report a proof-of-principle demonstration of five-photon entanglement and open-destination teleportation (for N = 3). In the experiment, we use two entangled photon pairs to generate a four-photon entangled state, which is then combined with a single-photon state. Our experimental methods can be used for investigations of measurement-based quantum computation and multi-party quantum communication.     

使用QED技术制备簇态和实现量子信息的传输

提出了一种在腔QED中制备纠缠态并进行量子信息传输的协议,该协议指出量子信息的传输可以在制备纠缠态之后通过纠缠态的分配来实现量子信息的传输．也可以在制备纠缠态的过程中实现量子信息在原子间的直接交换。     

N粒子部分纠缠态的量子受控传递

由于制备与传输中的环境耦合,现实中的纠缠态大部分是非最大纠缠态．在研究现有量子受控传递方案的基础上,提出了一种利用非最大纠缠态作为量子通道来概率地传输N粒子部分纠缠态的量子控制方案,在该方案中,利用非最大（N＋2）-粒子GHZ态作为量子通道,在发送者进行一次Bell基测量、N-1次Hadamard门操作及｜0〉和｜1〉基测量,控制者实施一次Hadamard门操作及｜0〉和｜1〉基测量之后,接收者根据他们的测量结果,再进行一些适当的幺正变换以及一些必要的投影测量就实现了N粒子未知量子态的受控传递．该方案是一种基于非最大纠缠态的概率受控的隐形传态方案,并且成功的概率为2｜a｜^2。     

远程制备多粒子纠缠态优化方案

提出了一个较好的远程制备多粒子的纠缠态的方案,先讨论用(N+1)粒子的纠缠态作为量子通信信道制备2N粒子的纠缠态.然后在研究用一个(N+1)粒子的纠缠态和一个(N+2)粒子的纠缠态作为量子通信信道制备(2N+1)粒子的纠缠态.与现在已有人提出的制备多粒子的纠缠态的方案相比,这个方案的优点是仅花费了两位经典位和只有一次两粒子的投影测量.     

Creation of a six-atom 'Schrödinger cat' state

Among the classes of highly entangled states of multiple quantum systems, the so-called 'Schr?dinger cat' states are particularly useful. Cat states are equal superpositions of two maximally different quantum states. They are a fundamental resource in fault-tolerant quantum computing and quantum communication, where they can enable protocols such as open-destination teleportation and secret sharing. They play a role in fundamental tests of quantum mechanics and enable improved signal-to-noise ratios in interferometry. Cat states are very sensitive to decoherence, and as a result their preparation is challenging and can serve as a demonstration of good quantum control. Here we report the creation of cat states of up to six atomic qubits. Each qubit's state space is defined by two hyperfine ground states of a beryllium ion; the cat state corresponds to an entangled equal superposition of all the atoms in one hyperfine state and all atoms in the other hyperfine state. In our experiments, the cat states are prepared in a three-step process, irrespective of the number of entangled atoms. Together with entangled states of a different class created in Innsbruck, this work represents the current state-of-the-art for large entangled states in any qubit system.     

三粒子W纠缠态的概率量子隐形传态

提出一个对未知三粒子W纠缠态的量子隐形传态方案.该方案用一个非最大GHZ纠缠态和一个非最大EPR纠缠态作为量子信道实现对未知经典W纠缠态的概率量子隐形传态和对未知一般W纠缠态受控的概率量子隐形传态.     

基于半导体量子点的量子通信

光子源和纠缠光子对的制备是量子信息产生和传输过程的源头,是实现量子通信的重要前提条件.半导体量子点固体系统具有可集成性和可扩展性的优点,并且与现有的半导体光电子学技术密切相关,近年来在单光子源和纠缠光子对制备方面取得了重要的进展,是未来全固态量子通信的重要元器件.从量子通信的基本原理出发,阐述了制备单光子源和纠缠光子对的重要性,介绍如何解析推导出圆形常规半导体量子点中的电子结构,描述了圆形拓扑绝缘体量子点中边缘态具有双重简并的电子结构,能级间隔与量子点的具体形状无关,并且具有自旋轨道锁定的特性,总结了实验和理论上在利用这一独特的电子结构制备单光子源和纠缠光子对方面取得的重要进展.