多光子纠缠态的制备文献综述

摘 要：

在量子信息中，信息处理依赖于量子态及其演化，量子纠缠是属于量子态的重要特性，所以量子纠缠无疑就是最重要的一种。在量子信息学的蓬勃发展下，纠缠态被作为一种另类资源存在而得到广泛的使用，如在量子密钥分配、量子密集编码、量子隐形传输、量子计算等领域的成功应用。目前随着实验技术手段的发展，制备纠缠态从两个简单的子系统发展到多子系统。由于多子系统拥有两子系统所不具备的特性，这使得量子纠缠在量子信息中得到更广泛的应用，也为人们探讨量子纠缠的本质问题提供了方便。本文介绍量子纠缠态的定义、量子纠缠态的度量以及线性光学系统里多光子纠缠态的制备，并延伸到量子纠缠态在量子信息中的实际应用。

关键词： 量子纠缠态；量子通信；量子纠缠

1.量子纠缠态的定义

自20世纪末以来，人们已经进入了量子世界。随着这一新领域的兴起，量子信息得到了蓬勃发展，逐渐成为研究热点。“纠缠”一词首次出现在1935年薛定谔的一篇论文中。从量子力学的早期开始，对其基本概念的理解和对其基本原理的解释之间就一直存在着争论。本质上， 是以玻尔为代表的哥本哈根学派和由爱因斯坦为代表的经典物理学之争的核心是“纠缠态”的非局域关系。在当下的物理实验技术日益趋熟，关于这两者的论证也已经可以通过实验来验证了，而不再处于理论的思辨阶段，同时又使得当今的量子信息学飞速发展。所以量子纠缠就正式的走进了物理世界，事实上，中国科学院院士郭光灿对量子纠缠的定义是:“就像母亲和女儿一样，他们分别生活在美国和中国，目前，女儿在美国怀孕了，但当她生孩子的时候，尽管母女两相隔千里，但在中国的母亲已经成功地当上了祖母。”换句话说，在量子纠缠中的两个粒子无论相距多远，倘若对其中一个粒子进行作用，那么都会对另一个粒子的状态产生不可避免的影响。

所谓的量子纠缠态是一种不能表示为一个多粒子系统或一个多自由度系统的直接乘积的叠加态。如果两个子系统A与B处于量子纠缠状态，那么在A和B状态下的这两个子系统就是相互影响的，这是量子纠缠的最显著特征。但各自处于不确定状态，这是由测量引起的坍塌。量子纠缠经常出现在复合系统中，它具有两个子系统间相互关联的非局域性和不可分性，同时仍然具有量子态的一般特性，量子态的一般特性有不确定性、相干性等。其中一个典型的纠缠态例子是由两个自旋为1/2的粒子组成的系统，所以它的自旋单态和三重态就不能简单的认为是两个粒子的量子态的直接乘积，而表现出非经典的量子关联。

2.多光子纠缠态制备的研究现状

量子纠缠技术是一个现阶段计算物理学前沿中已经相当之重要了的重要课题,它也不同于传统经典数学物理,量子纠缠技术可以用来产生许多各种神奇复杂的传统经典科学无法有效解释出的复杂现象,尤其它在研究量子信息问题中也起了着一个非常的重要的重要作用。随着当前量子信息科学应用的技术不断得到发展,量子纠缠理论和量子信息操纵也就日益显得越来越尤为地重要的了。对于这种多子系统纠缠态,它本身具有另外两子系统纠缠所完全不具备的特殊性质,而且将随着现代实验检测技术研究的进展日趋全面成熟,制备这种量子纠缠状态所应做研究的实验工作同样也必然能研究更加细致深入。尤其特别是对多粒子纠缠态的精确制备理论及其工程应用,它都已迅速成为我国当下关注的一大研究方向热点。这一切不仅会关系及到量子纠缠理论的物理本质,而且更有助于加深人们的理解现代量子力学研究的各种基本理论。

我国科学家在复杂多聚体系统纠缠态的设计制备研究和计算机操纵方法上目前已经都是居于世界各国领先技术水平,同时在量子通信领域也是成就非凡。在自发参量条件下光子的量子转换计算与信息制备在纠缠的双光子态信息系统中,由于双光子偏振性中有混合了全水平的和半完全垂直状态的这两个光子各自独有的偏振状态,非常有效地很适合于作为纠缠量子信息中的量子比特,而且这两个双光子所独有的量子偏振性中还都是具有着很高的纯度的量子特性和并且具有很良好的质量可控性,在自发参量环境条件下通过转换和制备在偏振状态情况下相互纠缠的双光子信息已经是显得是非常之普遍,成熟,也有可行的方案。关于制备腔内原子纠缠态的过程,其光学性能已经明显远不如在双光子条件存在下进行的自发参量的变换,这将是腔内原子制备理论有待我们进一步探讨改进发展的一些重要技术原因之一。在离子量子阱模型中所制备到的原子纠缠态实际上也远不是一种标准的Bell态。就我们目前研究来说,对于量子纠缠态信息的设计制备目前仍然都面临存在着很多巨大技术的瓶颈挑战,但同时我们相信至少在很不久之后的将来,量子纠缠信息的加工处理方式和信息制备流程将会相对更加趋于完善,在量子信息领域内的技术应用前景也无疑将会是越来越趋于广泛,以上列举了几种制备纠缠态的方法,然而这也只是对纠缠态应用的初步成果,在量子纠缠这个重要课题上,相信在以后的学术研究中会有长足的进步。

1. 多光子纠缠态制备的应用

量子力学自被提出起，物理学界就开始发生了翻天覆地的变化，使得物理学由早期的经典物理逐渐过渡到量子物理。迄今为止，几乎全部的实验数据都证实了量子力学是正确的。因此，量子力学的研究引起了越来越多学者的兴趣，他们将量子力学应用到化学、生物学、材料学、信息科学等多种不同的领域。一方面改变了这些学科的面貌，另一方面也推动了这些学科的发展。