基于团簇态信道的双粒子纠缠态可控量子隐形传态

提出利用四粒子团簇态传送一个未知两粒子纠缠态从而实现可控量子隐形传态的方案,发送者对她自己拥有的3个粒子做一次三粒子纠缠完备基联合测量,控制者对其拥有的粒子作局域测量,接收者在控制者的帮助下对其自己拥有的两粒子做相应的幺正变换,即可重新构造出发送者要传送的未知态,完成了可控量子隐形传态.     

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.     

运用双通道实现任意两粒子量子态的传送

提出了一种利用非最大纠缠EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)态和非最大纠缠GHZ(Greenberger-HorneZeilinger)态作为量子通道概率传送任意两粒子纠缠态的方案.经过贝尔态测量和Hadamard测量后,发送者将测量结果告知接收者,接收者需要引入一个辅助粒子,然后对他所拥有的粒子做形式唯一的联合幺正变换,再做一个简单的相对幺正变换调整符号,就可以概率实现纠缠态的隐形传送,通过数值计算,可以得出传态成功的概率.最后利用基本量子门电路,构建了实现任意两粒子纠缠态概率传送的量子逻辑电路.     

EPR粒子对与量子隐形传态

量子隐形传态,由发送者Alice将准备传送的信息分离成一部分纯粹经典的信息和另外一部分纯粹非经典的信息,通过2条不同的信道传送给接收者Bob。首先传送非经典部分,这需要借助于EPR粒子对,考虑由2个自旋皆为12的费密子构成,其中一个分配给Alice,另一个分配给Bob。Alice选择对她一方的原始粒子和她的EPR粒子一并进行冯.罗曼类型的测量,这个在贝尔算符的4个本征态中的测量,导致系统的波函数的波包坍缩为相互关联的4个贝尔基矢。Bob通过对他的EPR粒子的状态进行适当的幺正变换,能够重新构造出在Alice一方被＂毁灭＂了的原始粒子的状态。此外,这个贝尔测量产生2个比特的经典信息,传送给Bob,从而完成一个量子隐形传态。文章中研究了EPR粒子对与量子隐形传态的内在联系。     

两军问题的量子同步通信协议

基于量子信息中的EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)关联对2个粒子之间的关联性和量子隐形传态技术,通过不可靠信道建立可靠的信道,设计了一个量子同步通信协议,有效地解决了两军问题.该量子同步通信协议在经典通信和量子通信中都有重要的应用价值.     

基于EPR粒子对的信息签名协议

研究了利用Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)对的纠缠特性进行量子数字签名的方案,提出了一个基于测量结果比较的签名协议以及一个基于隐形传态的签名协议. 在基于测量结果比较的签名协议中,通信双方测量各自的EPR并将测量结果与消息M进行比较可以实现M的签名和验证,同时通过量子单向函数来保证协议的安全. 在基于隐形传态的签名协议中,消息发送者将M通过隐形传态传递给接收者来实现对M签名并验证,其安全性由量子隐形传态的物理特性来保证. 这两种协议均可以脱离可信赖的第三方,且通信过程中不需要密钥,具有无条件安全性.     

任意两粒子量子纠缠态的概率传送

提出了一种利用非最大纠缠EPR态和GHZ态作为量子通道概率传送任意两粒子量子纠缠态的方案,收到发送者告知的贝尔态测量结果后,接收者不需要引入一个辅助粒子,而只是先做控制非变换,然后对他所拥有的粒子做形式唯～的联合幺正变换,再做一个简单的相对幺正变换调整符号,就可以概率实现量子纠缠态的隐形传送,通过数值计算,我们还得出了传态成功的概率。最后利用基本量子门电路,构建了简单易行的量子逻辑电路实现任意两粒子量子纠缠态的概率传送．     

通过一个EPR对和一个GHZ态实现任意两粒子态的概率传递

我们提出了一个非最大纠缠EPR对和一个GHZ态作量子通道实现一个任意两粒子量子态隐形传递的方案。利用Bell态测量和Hadamard门测量,如果接收者引入一个联合幺正变换,就能实现一个任意两粒子态的概率传递,这个联合幺正变换是唯一的。同时,我们还给出了实现该传态过程的量子电路。     

基于EPR对的多方量子秘密共享方案

利用Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)对提出一个多方秘密共享方案,该方案不需要贝尔测量。每个EPR对代表Alice想要传送的一个秘密信息。先前的接收者在每个粒子上随机地执行一个任意的幺正操作,相当于用一个随机的密钥加密粒子,确保了这个方案的安全性。     

以量子非局域性为基础的超光速通信

1935年Einstein根据自己对自然的理解提出了EPR论文,该文的局域性原则对应他的狭义相对论(SR)。文章坚持以超光速传送能量和信息的不可能性,否定体系分开为两个(Ⅰ和Ⅱ)之后会有一种超距作用的机制。1951年D.Bohm对EPR思维实验作了现代物理意义的陈述,称为Bohm自旋相关方案或自旋双值粒子系统,实际上启动了量子纠缠态研究,对EPR思维是一种推进。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年间A.Aspect做了多个精确实验,结果与Bell不等式不符,却与量子力学(QM)一致。Aspect实验在科学界引起震动,使物理学家J.Brown和P.Davies在英国广播公司(BBC)组织了一次对著名科学家的访谈。在采访J.Bell时他说,该不等式是分析EPR思维所产生的,这个思维说在EPR论文条件下不应存在超距作用,但那些条件却导致了QM所预期的奇特的相关性。Aspect实验结果是在预料之中的——QM从未错过,即使条件苛刻也不会错。这些实验无疑证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为,现在为克服理论上的困难,可以回到Lorentz和Poincarè;可以想像以太这种参考系存在,在其中事物可以比光快。Bell重复说想回到以太概念,因为从EPR论文可以看出,景象背后有某种东西比光快。EPR论文建基于SR之上,二者都否认超光速的可能性,这也就是SR与QM的根本矛盾。QM允许超光速存在,认清这一点对科学进步有重要意义。J.Bell于1990年去世,但他建立了不朽的功绩,Bell不等式成为科学史上最伟大的发现之一。几十年来所谓Bell型实验长盛不衰,双粒子奇异纠缠的距离从最早的15m多年后增大为144km,十分惊人。特别是在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为10~4c—10~7c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。可否说量子纠缠态必然引向超光速信号传送?研究表明"景象背后"的影响允许超光速通信。人们都承认实际上存在相互纠缠粒子之间的超光速信息传送是确定的事实,问题仅在于如何应用于人类相互交流和联系。EPR论文的错误对科学研究提供了深刻的教益,对量子纠缠态这种奇特物理相互作用的好奇是思考和探索的永不衰竭的原动力。量子纠缠态或许可以称为"第5种基本的物理相互作用";而所谓Bennett方案并非唯一的用量子纠缠作远距离通信的途径。     

基于四粒子GHZ态的任意三粒子GHZ态量子隐形传送

量子隐形传态已成为量子信息学中的一个重要研究领域,笔者从节省量子纠缠资源的目的出发,通过极化分束器(PBS)将2个EPR对制备成单个四粒子GHZ纠缠态,并将此四粒子GHZ纠缠态作为量子信道,从而实现三粒子纠缠GHZ态的量子隐形传输.     

基于6粒子团簇态的可控量子隐形传态

提出利用6粒子团簇态传送1个未知单粒子态从而实现可控量子隐形传态的方案,发送者对自己拥有的粒子做1次5粒子von-Neumann测量,控制者对其拥有的粒子作局域测量,接收者在控制者的帮助下对其自己拥有的粒子做相应的幺正变换,即可重新构造出发送者要传送的未知态,完成了可控量子隐形传态,该方案成功的概率为100%.     

2粒子未知态的受控分级量子通信

提出了1个以6粒子团簇态为量子信道实现2粒子未知态的受控分级量子通信方案。不同的接收者因其受发送者的信任程度不同而对未知态的恢复能力也不同。发送者对手中的3个粒子做1次 von-Neumann 联合测量,控制者根据不同的接收者或自己做局域测量或联合测量。接收者收到2次测量结果后做相应的幺正操作可恢复未知态,完成本次的量子通信。     

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.     

腔QED中三粒子W态的隐形传递

首先,针对传递三粒子w态的困难,提出了腔QED中的两种方案来完成w态的隐形传态．在一种方案中,我们利用一个EPR对和GHZ态来作为量子通道,在真空腔中实现了对w态的传送．而第二种方案与第一种不同之处是,我们使用了两个EPR对来作为量子通道,并且弓l入了一个附加粒子来完成传态的．此外,这些方案的显著优点是不用Bell基测量,而且可忽略腔场热作用和腔延迟作用的影响．     

单粒子未知态的分级量子通信

提出一个以4粒子Cluster态和3粒子GHZ态作为量子信道实现单粒子未知态的分级量子通信方案.在本方案中,Alice发送一个量子态信息给6个接收者.首先,发送者对自己的2个粒子做Bell测量并将测量结果发送给所有的接收者;其次,接收者分别对自己的粒子做单粒子测量;最后,需要恢复秘密的接收者在部分或者所有接收者的帮助下,对接收到的测量结果做相应的幺正操作即可恢复未知态,完成本次量子通信.从外部攻击和内部攻击2个方面对方案的安全性进行了讨论,并证实其是安全可靠的.     

利用2个EPR对实现3粒子GHZ态的控制隐形传态

为了实现经济的控制隐形传态,提出一种利用2个部分纠缠EPR对实现3粒子GHZ态的概率隐形传输方案.该方案首先需要发送者向控制者申请量子信道,若控制者同意,才能通过纠缠交换,使发送者和接收者之间建立量子信道.然后发送者进行一次Bell基联合测量、两次H变换和两次单粒子测量.接收者根据发送者和控制者的测量结果,引入辅助粒子,进行两次控制非门操作和相应的幺正变换,就可以得到原始未知信息态的信息,传输成功的概率为4|a|~2|c|~2.该方案可以推广到N粒子GHZ态的控制隐形传输.若增加到N个EPR对为量子信道,还可以推广到(N-1)个控制者参与的N粒子GHZ态的控制隐形传输.该方案可以很好的应对一般的窃听方式.     

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.     

基于LOCC的五粒子量子态的区分及应用

判断空间可用于判定高维量子比特系统中一对正交多体纠缠态的局域区分性,若其对应的判断空间是正交的,则这一对正交多体纠缠态可无歧义地被区分。根据判断空间的性质和条件,可得到能抵御无歧义攻击的量子纠缠态。本文针对五个粒子的情况构造了7种量子纠缠态,计算了其判断空间,并在此基础上提出了判断空间的判断规则。基于这些判断规则,研究了这7种五粒子量子纠缠态的局域区分性,进而提出了一个(4,5)-门限量子秘密共享方案。     

基于优超理论的纠缠纯态转化

利用优超理论实现了高维量子系统中局域纠缠纯态的确定转化;在一个44维量子系统的低维子系统中两次利用优超理论,并通过正定算符值测量(Positive Operator Valued Measure,POVM)、算子测量、局域操作和经典通信(Local Operations and Classical Communication,LOCC),最终实现了44维量子系统中的纯态以100%的概率完成转化。通过计算和理论推导说明这种基于优超理论的纠缠纯态转化会降低量子子系统Von Neumann熵。