非线性光学频率变换纠缠光子源实验制备的研究进展

量子纠缠源是量子通信和量子计算的基础,实现隐形传态最重要的关键和难点是制备高纠缠度的、稳定高效的EPR光子纠缠源。系统综述了国内外采用非线性光学频率变换制备纠缠光子源的实验方法以及实验研究的最新进展。     

量子纠缠科研平台反哺实验教学的探索

量子纠缠是量子信息处理中一种重要的物理资源，其广泛应用于量子通信、量子计算、量子精密测量等领域。本文介绍了一种基于线性光学系统的量子纠缠科研平台，该平台可以实现双光子偏振纠缠态的制备、操控和测量。作者在开展科研活动的同时，秉持科研反哺实验教学的理念，对科研实验做了教学化设计和改造，开发了两项适用于本科教学的实验项目：量子纠缠态制备和纠缠特性测量。这是提升课程高阶性、培养学生创新实践能力的有效探索和尝试。     

非经典光场及其在量子信息中的应用

扼要介绍连续变量纠缠态光场产生的实验方法,及其在量子离物传态,量子密集编码,受控密集编码,量子纠缠交换及量子通信网络中的应用.     

量子测量与量子力学的基本问题

阐述量子测量的本质，测量对微观粒子的影响，以及测量假说在量子力学中的地位；最子退相干是量子测量引起量子纠缠的必然结果，是路径实验干涉条纹消失的主因。     

量子纠缠态及可分离态判据

由信息熵理论结合量子力学态矢的特性，提出独立态矢的概念，给出了多粒子量子位纯态纠缠的新定义，指出量子纠缠态实质上是独立态矢的叠加，并进一步给出自旋为1／2的二、四量子位体系纯态的非纠缠态判据。其计算方法简单，物理意义明确。     

高维集成光量子技术

光量子系统在量子技术中的作用至关重要，伴随光子集成技术的发展，光量子集成被认为是推进量子信息技术的重要途径.同时，量子纠缠是量子信息处理中重要的物理资源，其中高维纠缠的量子系统与二维系统比较，具有更为独特的优势.然而，随着维度的增加，高维量子纠缠态的产生和操控也面临挑战.综述近年来高维集成量子技术的相关研究，先回顾不同自由度片上高维纠缠态制备方案，再从量子光源、可重构量子调控、前沿量子信息应用等三个方面分别进行分析和总结.在量子光源方面，重点对产生非线性效应、光源结构和产生纠缠方式进行说明，并对其适用性和优势进行分析；在可重构量子调控中，针对基本操控单元、通用操控线路和结构改进三个方面进行综述，阐述面临的困难和目前的解决思路；最后，对集成高维光量子纠缠态在各个领域的应用场景进行归纳，并对未来的发展做出展望.     

纯态纠缠源条件下密集编码的信道容量比较

依据量子纠缠能被用来实现量子密集编码，从而增加量子信道的经典信息容量的理论，讨论并比较了在无噪信道中利用纯态纠缠源进行直积态密集编码和纠缠密集编码两种情况下的信道容量上限，得到了应用纠缠编码方式的信道容量不大于应用直积态编码方式的信道容量的结果．     

一维XXZ环形自旋链中的量子关联

研究了系统尺度L=8的一维XXZ环形自旋链中的两体和多体量子纠缠以及两体量子失协，在这个过程中，充分考虑了温度和粒子间隔对纠缠和量子失谐的影响．结果发现，同种情况下，三体和四体纠缠比两体的更加“强壮”，且在低温条件下，利用多体纠缠可以探测到系统发生量子相变的临界点．与纠缠相比，量子失谐可以在较高温度下存在，且在相变点处总是表现出尖峰行为，这使得量子失谐在探测相变点方面更具优越性．     

用多个光子晶体实现量子纠缠态的稳定性

量子纠缠态的纠缠度随传播距离增加或外界干扰而变小,  在光与环境相互作用的退相干效应下,  可使纠缠度降低或不再纠缠.  基于此, 设计一组一维光子晶体, 当两光子或三光子的纠缠光通过该组光子晶体, 且叠加参数c1=0.03~0.98时, 纠缠度E=0.8~1, 从而使量子纠缠态可远距离传输, 更好地实现量子通信.     

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。     

冯·诺依曼熵及纠缠度

本文利用量子变换理论,得到了相对熵及其纠缠度简洁的计算公式,为量子纠缠态的分析提供了方便的理论工具。     

量子力学基础实验的新效用

从量子力学两个基础实验-电子双缝干涉实验、Sterm-Gerlach实验出发，引出量子信息理论的两个新概念-量子退相干与量子纠缠，并详细介绍了量子退相干概念和量子纠缠概念以及它们在量子信息领域中的应用，这样在学生可接受的范围内把物理前沿的新概念引入到了实验教学，从而拓宽了学生的知识面，加深了对物理概念的理解，发掘了基础实验的新效用。     

磁场控制幺正多体动力学中的纠缠扩散

研究在量子多体系统的动力学过程中纠缠的传播，是非平衡态物理中的重要问题。本文通过优化磁场来极大化纠缠熵，研究其对量子态纠缠传播性质的影响。在具有最近邻耦合的量子伊辛链上，通过施加变分优化所得的磁场来极大化末态的纠缠熵，并提高弹道输运区间的纠缠增长速度，同时，也可以使短链的纠缠熵达到固定磁场下长链的纠缠饱和值大小。当增加链长时，纠缠熵的饱和值增大，但是增长速度几乎不变。特别地，也可以通过控制磁场，使得只具有最近邻相互作用的海森堡反铁磁链的纠缠增长速度被提高到与具有长程相互作用系统纠缠增长速度相同。本文的研究揭示了磁场在非平衡过程中控制纠缠传播的能力，在未来可应用于量子控制和信息处理。     

利用纠缠交换制备最大纠缠态

基于腔QED技术提出利用纠缠交换制备光子-光子和原子-光子最大纠缠态的简便方案.在制备光子-光子最大纠缠态方案中,腔只是被虚拟激发,原子和腔之间没有信息转换,大大降低了对腔品质的要求.在利用双光子共振相互作用制备原子-光子最大纠缠态方案中,只要对单原子的态进行测量,而不需要联合Bell基测量.     

二量子比特海森堡XYZ链中的热纠缠

通过分析外磁场、温度、自旋粒子间耦合系数、非对称系数对系统纠缠的影响，研究了均匀磁场中二量子比特海森堡XYZ链中的热纠缠现象．结果表明，系统的基态纠缠随着外磁场B值的增加，保持一段恒定且最大值后，在一个临界点Bc突然下降．耦合系数Z值的增加可以使纠缠无论是在温度方向还是在磁场方向都能扩展．在一定温度条件下，增加非对称系数γ值可以使纠缠在超越临界磁场Bc后的复苏值和范围都增加．这些结果为用磁场、自旋粒子问耦合系数、非对称系数来操纵系统纠缠提供了理论依据．     

量子纠缠的新理论

利用独立态矢特性,首次提出了一个纠缠态的定义及构造纠缠的理论,并进一步给出了多粒子系统的纠缠方式,进而给出基本纠缠方式的纠缠度的定义式,并推导出其公式,得出了三粒子系统的非纠缠判据.     

量子纠缠和量子操作

对量子纠缠和量子操作作了介绍, 考察了两比特量子纠缠态和量子操作的应用及它们之间的关系. 具体包括: 用非最大纠缠纯态来实现任意量子态的确定性远程制备; 用纠缠态来实现用于分布式量子计算的非定域门操作; 讨论了量子操作的纠缠能力; 讨论了两量子比特门的构造. 这些结果有助于理解量子纠缠和量子操作这些量子信息处理中的资源.     

量子通信研究的若干问题

1935 年A. Einstein、B. Podolsky 和N. Rosen 三人发表合写文章"量子力学对物理实在的描述是否完备?"该文的局域性原则与他的狭义相对论(SR) 相呼应,但与量子力学(QM) 不一致.1951 年D. Bohm 对EPR 思维作了现代意义上的陈述,实际上启动了量子纠缠态研究.在此基础上,1965 年J. Bell 提出了后来称为Bell 不等式的隐变量理论,而在1981 年-1982 年A. Aspect 做了多个精确实验,结果与Bell 不等式不符,而与QM 一致.因此,双粒子系统中存在QM 预期的奇异相关,其中的超空间(超距) 作用却与EPR 思维矛盾.在后来数十年中,Bell 型实验常盛不衰,互相纠缠的光子间隔由Aspect 时的15m 逐步加大到144km,而在2017 年由中国量子卫星扩展到1200km,十分惊人.EPR 论文的错误对科学研究提供了深刻的教益.近年来量子通信技术的发展,就是建筑在量子非局域性和量子纠缠的基础上的.量子信息学(QIT) 有三个主要研究方向——量子计算、量子通信和量子雷达.量子通信的关键点在于必须有绝对保密性.但这在实际上很难,故迄今不能说这问题已经解决.因此,我们认为在2017 年量子通信才获很大成就.     

在单模真空场中利用纠缠GHZ态制备纠缠W态

提出在单模真空场中利用纠缠GHZ态制备纠缠W态方案.3个原子(1,2,3)之间初始为纠缠GHZ态,原子1远离单模真空场,而原子2和原子3进入单模真空场与场相互作用.在原子间耦合量适当时,通过控制单模真空场与原子2和原子3的相互作用时间,对原子1的状态进行测量,制备出理想纠缠W态.     

非简并偏振纠缠源用于光纤量子通信

报道了一个基于自发参量下转换(SPDC)的偏振纠缠实验.采用两块BBO晶体粘合的方法,利用SPDC过程制备810和1 550 nm的偏振纠缠光子对源.用单模光纤耦合来收集参量光子对,在产生的纠缠态中,两光子符合计数为200 cps(每秒钟计数).为了验证产生的纠缠态,利用两个偏振分析器系统测量纠缠相关度,其中,干涉可见度约为90%.