双向可控远程制备三维量子态 电气工程遥感技术专业.docx

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1、摘要：量子作为现代物理学的重点研究对象，其相关领域的应用也受到极大关注。以量子信息科学进行说明，该学科融合的是量子力学和现代信息科学两门举足轻重的学问。量子信息科学最核心的研究方向是量子通信，以及量子计算。现代社会对通信的速度和质量（保密性、清晰度等）要求日渐提高，而量子通信的优势越来越被人们发掘到，其深层次领域的突破或许会为时代带来巨大的转机，因而这方面的研究十分有价值。本文提出了一种以六粒子三维纠缠态为量子通道的三维系统BCRSP的新方案。在此方案里，AIiCe和BOb同时作为发送方和接收方，一个发送方（如A1iCe）想在另一个发送方（如Bob）的站点上远程制备单粒子赤道量子态（SQES）

2、,且另一个发送方Bob同样想在A1ice的站点上远程制备另一个SQES,该过程由控制者Char1ie控制进行。最后的结论证明，只有当控制者同意和两个发送方互相协作时,它们（两个发送者）通过恰当的幺正运算，才可以制备出所需的量子态。关键词：双向控制远程态制备，三维系统，六粒子三维纠缠态，单粒子三维投影测量Abstract：QuantumInformationScience(QIC)isanewsubjectcombinedwithQuantumMechanicsandInformationScience.Foritsgreatapp1iedpotentia1inmanyfie1ds,Quantu

3、mInformationhasreceivedmoreandmoreattention.Inthispaper,anewschemeofBCRSPisproposed,whichusessixpartic1ethree-dimensiona1entang1edstateasquantumchanne1.Inthisscheme,A1iceandBobarebothsenderandreceiver.Onesender(suchasA1ice)wantstopreparesing1epartic1eequatoria1quantumstates(SQES)remote1yatthesiteofa

4、nothersender(suchasBob),andtheothersenderBoba1sowantstoprepareanotherSQESremote1yatA1ice,ssite.Theprocessiscontro11edbyChar1ie.Thefina1conc1usionshowsthaton1ywhenthecontro11eragreestocooperatewiththetwosenders,they(thetwosenders)canproducethedesiredquantumstatethroughproperunitaryoperation.Keywords:

5、Bidirectiona1contro11edremotestatepreparation,three-dimensionsystem,six-qutritentang1edstate,sing1e-qutritprojectivemeasurement1引言31.1 量子通信的发展历史和现状31.2 远程制备量子态的研究现状和意义42.基础知识52.1 量子纠缠52.2 EPR效应和Be11基测量63建立六粒子三维量子纠缠信道73.2六粒子纠缠态84三维系统中的双向控制的量子态远程制备94.1 构建测量基矢104.2 投影测量114.3 幺正操作1159母I1t115.1 结果115.2 讨

6、论13名口Vo14参考文献：15致谢16附件171引言1.1量子通信的发展历史和现状量子信息科学涉及到量子力学和信息科学两门综合性和复杂度都很强的学科，说来，信息科学也是近现代脱颖而出的新生力量，其以信息学、控制论以及人工智能等知识为基础，其深度和广度的拓展日新月异，而量子力学的框架更是海纳百川，两门学科的共同应用方向必然指向的是一条艰涩的道路，但其可能取得的收获确是不可计数的，或许会为人类科技史带来里程碑式的突破。所谓量子通信，指的是指根据量子纠缠的原理，完成数据和信息的输送。作为量子通信的重要分支，量子密码交流，以及远程传态，还有密集解编码的交流形式，近现代以来都得到了快速发展。随着科研投

7、入的增多，在这种新型通讯方式方面所获得的进展的速度还是比较快的，而且其应用的实现几率也日益扩大。量子纠缠让信息的具体内容只围绕在特定量子之间，外部力量是很难将信息破解的，因此有高度的保密性。量子通信在性质上还是通信，但是与传统的通信相比，在许多方面发生了质和量的改变。比如，量子通信的保密性能是极高的，上至国防、财政，下至百姓的日常交流，利用量子传输的信息都是严格加密的，几乎无法被拦截和破解。对于量子理论的研究已经非常深入了，国内外的科研工作者对此都进行了非常多的工作。事实上，关于量子通信的学说在20世纪末就已经被美国开始了研究。欧盟也紧跟其后，开展了数十个项目的研究，而日本则是将量子通信的理论

8、作为21世纪的发展战略。而我国是在20世纪80年代就开始了量子光学的拓展，其中，中科院取得了不可忽视的成绩。虽然对于量子力学的研究已经非常深入了，各种形态的量子结合成了一个非常完善的框架，而且这方面的研究也不断取得新的成绩，但是我们还有许多问题需要考虑。量子信息学是一门综合性非常强的学科，并且也是非常符合时代发展的潮流，但目前我们还需要考虑的问题有：(1)对于Ben态的量子，如果要使息传播的成功率过半，怎样开展合理的测量方法呢？(2)但量子信息传递可以有高度的保密性，但是如果量子的丢失也会导致信息的缺失，那么如何避免这一现象呢？(3)量子形态非常难以捕捉，那么是否有一个合理的物理框架来约束这些

9、量子的呢？(4)自从现代科学发现量子的那一刻，它的复杂性态包括量子耗散和量子消相干这难以捉摸的两方面难住了很多科学家，而计算机与量子的结合，肯定会使量子发生以上的两种情况，如何避免？或者说有效减少这种情况的发生呢？(5)如何在现有的技术基础上延长量子的传输距离呢？(6)关于量子各形态研究的细化问题，比如其隐形传态，还有量子态的复制等，以及我可以利用量子进行身份认证，还有量子指纹等诸多课题需要深入研究。其实关于量子本身就还有许多问题是我们还没有发现的，更别提解决办法了，作为量子学科的拓展，也就是量子信息学更是由许多疑难问题等着我们去发现，在这方而，很多的学者已经投入到对其深入研究的相关探讨，从日

10、本将其作为未来的发展战略这一决策看来，量子信息科学的发展与未来有着举足轻重的作用，其应用将会为人类社会带来历史性的转变。1.2远程制备量子态的研究现状和意义在许多的未来设想中，人们甚至可以跨越时空进行穿梭，其中一个比较接近量子性质的就是一个人在某地隐身，而在另一个地方重新现身，这种影片不仅给观众带来了极大的兴趣，甚至在量子力学的研究普及到大众的视野中，这种场景几乎成为了大家对未来的一种确定性设想。甚至这种设想创造了一个新的词汇，即，te1eportation,隐形传送。可惜事实上这种设想是不能实现的，因为它违背了量子力学中的定理，即海森伯不确定关系，还有量子的不可克隆复制定理。实际上组成人类身

11、上的原子其实是不能以量子形态进行完整的复制的，按这两个理论来看，以上的设想也仅仅是设想罢了。上个世纪90年代，班纳特和其他三个国家的六位科研工作者合作于Phys.Rev.1ett.杂志周刊上，出版了一份独一无二的文章，该论文指出，对于未知的物体，其实最初的信息分为经典的和量子的两个层面，独立拥有各自的通信传输通道。如果信息的接收者完整接收到了这两种形式的信息内容，那么其实是可以复制出与原来的物体一模一样的克隆体的。总之，科学界对于隐形传输是否能够实现存在着一定的争议？。除了对于一些科学设想的研究和验证，最近几年量子纠缠，还有一个非常显眼的应用，那就是关于远程制备量子态(RSP)1-3的假说，是

12、在现有的实验基础上，可以进行高度准确的仿真模拟和实验制备，目前已经有RSP的实验进行了完整的探讨4-9。最近，Cao和Nguyan发布了一种比较新颖的实验方法，其名称是“确定性的双向控制及远程制备量子态”(BCRSP),这种制备方案是允许第三方的参与的，甚至第三方还起到了非常关键的把控作用,在外界的协调和帮助下，两个非常远距离的物体能够进行信息的交流和转换，当然，这里的信息是以量子态的形式来展现的。这里的第三方的协调是必要的。也有非常相反的实验方法被提出，但总之该方法的精度还是比较高的。本文中，我们提出了一种以六粒子三维纠缠态为量子通道的三维系统BCRSP的新方案。在此方案里，A1ice和Bo

13、b同时作为发送方和接收方，一个发送方（如AIiCe）想在另一个发送方（如Bob）的站点上远程制备单粒子赤道量子态（SQES）,且另一个发送方Bob同样想在AIiCe的站点上远程制备另一个SQES,该过程由控制者CharIie控制进行。最后的结论证明，只有当控制者同意和两个发送方互相协作时，它们（两个发送者）通过恰当的幺正运算，才可以制备出所需的量子态。2.基础知识2.1 量子纠缠量子纠缠属于量子力学提出的概念，这是一种特殊的实际存在的物理现象，不可以用经典的力学来解释，所以其研究的科学被特别称为量子力学。这里说的偏离经典，是指一个量子是永远无法独立的，换句话说，测量一个子集的结论，不能及其它自

14、己的测量而独立得出数据。其实自量子的这种性质被发现以来，量子纠缠就频频出现在大众的视野，这对于其基本概念和原理的解释，一直以来也是科学家们争论的话题。最初的讨论，其实本质上是讨论的量子纠缠所表露出的脱离空间的相关联性。这里最有名的讨论是在爱因斯坦和他的伙伴们提出“EPR佯谬”之后，这个理论几乎奠定了有关量子力学发展的具体内容和研究方向，而在此之后，量子纠缠的基本概念也就大致确立起来了。21世纪以来，科学技术的不断发展，使得实验室内可以进行有关量子的实验，他不必仅仅在头脑中模拟量子形态的运动。而且应用也越来越被现代科学家们试做一个可以前行的方向，因此，量子信息科学逐渐开始繁荣。这里说的纠缠是指两

15、个或多个量子之间的复杂运动方式。量子纠缠在数学上其实是不可以写成笛卡尔积的形式，如果以存在两个1/2自旋粒子的体系，那它们应当写成的公式是：4个Ben基。中描述是相对来说比较合理的。说这里存在着两个原子，那么它们分别对应了态网和态的量子性态，这两种方式可以分别获得（1）式中任意一个的重叠状态：悭）广爰网“I涧2），在这里的IO）J1%分别代表的含义是：原子的前者处于态|。，后者原子处于态博，o%的表述是相反的。也就是说下角标表示的是第一个或者第二个原子，而里边的内容则是表示形态的具体内容。如果他们位于叠加态悭），那么它们就是纠缠的，因为我们只知道这里存在有两个形态的量子，但是却不知道具体的对应方式。其中的一个原子既可以是0,也可以是1,所以说他们是纠缠的，无法相对独立的。这样子纠缠，还有一个非常有趣的物理性质，就是如果我们对其中一个进行测量，那么另一个的具体信息也会被测量到，也就是说一个确定，另一个也就确定了。是这种确定是跨越空间的。以上面谈到的双原子模型为例，如果确定其中的一个原子形态是1,那么另一个一定是0。量子纠缠是