保留光子极化特性的量子态放大研究

论文摘要

量子通信是指利用单量子比特或量子纠缠进行信息传递和处理的一种新型的通讯方式,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信的绝对安全性和高效性是经典通信所无法达到的。由于其潜在的研究价值和应用价值,量子通信逐渐成为近年来科研工作者关注的热点,并且在许多领域得到了应用。量子纠缠是量子力学中的一种奇特现象。量子纠缠作为量子通信中的重要资源,在量子计算和量子通信中起着十分重要的作用。许多量子问题需要用到量子纠缠,比如量子隐形传态,量子密码学,量子安全直接通信,量子密钥分配以及其他的一些应用。其中,单光子纠缠是量子纠缠态中最简单的一种形式,单光子纠缠在量子信息领域得到了广泛的应用。例如,单光子纠缠是量子中继器研究中的重要资源。然而,在实际应用中,环境噪声不可避免地对单光子纠缠产生影响,信道噪声可能导致光子丢失以及光子态退相干。针对量子态退相干的问题,我们可以采用纠缠浓缩方案把非最大纠缠态重新恢复为最大纠缠态,解决传输过程中光子丢失问题的有效途径是无噪声线性放大(NLA)。以往所有关于单光子纠缠的无噪声线性放大方案均没有考虑过保护光子的极化特性。而在很多实际应用中,我们需要使用光子的极化特征来实现安全量子通信。因此,设计能保护光子极化特征的量子态放大方案具有重要的现实意义。本文中,我们的前两个工作是设计能保护光子极化特性的单光子两模纠缠态的放大方案及单光子三模W态的放大方案,并理论计算方案的放大因子,成功概率等重要参数。通过调整线性光学元件的相应参数在提高保真度的同时尽可能保证成功概率。在此项研究的基础上,本文的第三个工作是进一步研究如何在量子态放大的基础上同时实现纠缠浓缩,设计能同时解决光子丢失和光子态退相干问题的综合性量子态放大方案。本文的最后一个工作是关于多光子GHZ态的浓缩方案。

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摘要

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专用术语注释表

第一章绪论

1.1 量子信息学

1.1.1 量子通信

1.1.2 量子计算

1.2 研究背景

1.3 主要工作和内容安排

第二章量子信息基本知识介绍

2.1 引言

2.2 物理基础

2.2.1 量子比特

2.2.2 量子纠缠态

2.2.3 量子力学的基本概念

2.3 量子线性光学元件

2.3.1 极化分束器

2.3.2 50 :50 分束器和可变分束器

2.4 量子放大协议介绍

2.4.1 指示单光子放大方案

2.4.2 带极化特性的单光子比特的放大方案

2.4.3 单光子纠缠态的放大和浓缩方案

2.5 本章小结

第三章单光子纠缠态的无噪声线性放大方案

3.1 引言

3.2 单光子两模纠缠态放大方案

3.3 单光子三模W态放大方案

3.4 数值仿真及讨论

3.5 本章小结

第四章单光子纠缠态的高效放大和浓缩方案

4.1 引言

4.2 单光子两模纠缠态的放大和浓缩

4.3 数值分析与讨论

4.4 本章小结

第五章基于光学法拉第旋转的多光子纠缠浓缩

5.1 引言

5.2 光学法拉第旋转的基础理论模型

5.3 非最大纠缠态的高效浓缩方案

5.3.1 两光子纠缠态高效浓缩方案

5.3.2 N光子GHZ态的纠缠浓缩

5.4 数值分析与讨论

5.5 本章小结

第六章总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王丹丹

导师: 周澜

关键词: 量子通信,纠缠态,光子丢失,极化特性,量子态放大,纠缠浓缩

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 南京邮电大学

分类号: O413;TN918

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000601

总页数: 61

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