量子糾纏純化新進(jìn)展

量子糾纏純化新進(jìn)展演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有74頁\編輯于星期日Outline1.Motivation2.HistoryofEntanglementPurification3.4.SummaryEntanglementpurification現(xiàn)在是2頁\一共有74頁\編輯于星期日一糾纏純化背景現(xiàn)在是3頁\一共有74頁\編輯于星期日量子通信的分支：1量子密鑰分發(fā)（QKD）2量子密集編碼（QDC）3量子安全直接通信（QSDC）4其他現(xiàn)在是4頁\一共有74頁\編輯于星期日由于糾纏只能通過局域產(chǎn)生，然后通過信道發(fā)送粒子的方式來共享。這樣，就糾纏粒子和環(huán)境的相互作用就不可避免。本來處于最大糾纏態(tài)的粒子就會發(fā)生退相干，這種退相干通常有兩種方式:(1)由純的最大糾纏態(tài)變成混合態(tài)。(2)由最大糾纏態(tài)變成部分糾纏態(tài)。糾纏純化糾纏濃縮現(xiàn)在是5頁\一共有74頁\編輯于星期日基本物理模型：現(xiàn)在是6頁\一共有74頁\編輯于星期日糾纏純化方案的分類：1漸進(jìn)式糾纏純化2確定性糾纏純化現(xiàn)在是7頁\一共有74頁\編輯于星期日(1)Bennett等人的第一個基于CNOT門的糾纏純化方案漸進(jìn)式糾纏純化（1）：CharlesH.Bennett.（美國科學(xué)院院士、量子密碼創(chuàng)始人）etalPRL76,722(1996)現(xiàn)在是8頁\一共有74頁\編輯于星期日

現(xiàn)在是9頁\一共有74頁\編輯于星期日雙向CNOT作用的真值表現(xiàn)在是10頁\一共有74頁\編輯于星期日Bennett等人的純化方案的缺點：(1)基于CNOT門，實驗上不好實現(xiàn)；(2)步驟復(fù)雜，每次純化都要經(jīng)過雙邊旋轉(zhuǎn)恢復(fù)到Werner態(tài)；(3)純化效率不高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。改進(jìn)的CNOT門純化方案:Deutsch(量子計算創(chuàng)始人之一，量子圖靈機(jī)概念提出者，著名Deutsch算法提出者)PRL772818(1996)現(xiàn)在是11頁\一共有74頁\編輯于星期日漸進(jìn)的糾纏純化（2）JWPanetalNature4101067(2001)比特翻轉(zhuǎn)錯誤用PBS替代了CNOT門現(xiàn)在是12頁\一共有74頁\編輯于星期日三模事件(交叉項)現(xiàn)在是13頁\一共有74頁\編輯于星期日去除交叉項之后：四個空間模式出射兩個空間模式出射無法利用！效率減半！四個空間模式出射兩個空間模式出射無法利用！效率減半！F2(1-F)2現(xiàn)在是14頁\一共有74頁\編輯于星期日選擇四個空間模式都有光子：X基矢下探測:現(xiàn)在是15頁\一共有74頁\編輯于星期日和CNOT門糾纏純化方案的比較：1PBS在這里也實現(xiàn)了CNOT的作用。2PBS方案在實驗上實現(xiàn)簡單。3PBS方案效率只有CNOT方案的一半。不足:(1)基于理想源，而現(xiàn)實中實現(xiàn)的是PDC源。(2)需要單光子探測器。(3)效率比較低?，F(xiàn)在是16頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是17頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是18頁\一共有74頁\編輯于星期日漸進(jìn)的糾纏純化（3）1利用cross-Kerrnonlinearity基于PDC源的純化方案cross-Kerrnonlinearity基本原理：K.NemotoandW.JMunroPRL93250202(2004)經(jīng)過QND后:現(xiàn)在是19頁\一共有74頁\編輯于星期日cross-Kerrnonlinearity構(gòu)造paritycheck原理（QND）Yu-BoSheng,Fu-GuoDeng,Hong-YuZhou,PRA77,

042308(2008)Cite:155沒有發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)錯誤：

一對光子發(fā)生比特錯誤：

兩邊相移不同！替代了PBS現(xiàn)在是20頁\一共有74頁\編輯于星期日PDC源產(chǎn)生兩對光子沒有出錯：一對光子發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)錯誤：現(xiàn)在是21頁\一共有74頁\編輯于星期日兩對光子發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)錯誤：保真度：p1：PDC源產(chǎn)生一對光子概率p2：PDC源同時產(chǎn)生兩對光子概率F0：初態(tài)保真度現(xiàn)在是22頁\一共有74頁\編輯于星期日(1)可以用于目前實際的PDC源，也可以用于理想源(2)是目前唯一實驗上可以循環(huán)調(diào)用的方案(3)不需要復(fù)雜的單光子探測技術(shù)(4)與PBS純化方案相比，效率翻倍，是目前實驗方案中效率最高的方案特點：現(xiàn)在是23頁\一共有74頁\編輯于星期日Bit翻轉(zhuǎn)錯誤：以三個粒子的GHZ態(tài)為例：選擇偶宇稱：推廣到多粒子系統(tǒng)：Y.B.Sheng,F.G.Deng,H.Y.ZhouEur.PhysJ.D55,235–242(2009)現(xiàn)在是24頁\一共有74頁\編輯于星期日相位翻轉(zhuǎn)錯誤現(xiàn)在是25頁\一共有74頁\編輯于星期日推廣到N個粒子的情況:Paritycheck后選擇相同的相位移動：現(xiàn)在是26頁\一共有74頁\編輯于星期日確定的糾纏純化（1）單對光子：兩對光子：C.SimonandJian-WeiPanPRL

89257901(2002)現(xiàn)在是27頁\一共有74頁\編輯于星期日PDC源發(fā)出單對光子：如果沒有發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)錯誤：如果其中一個粒子發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)錯誤：同時從上下模式出射一個光子從上模式出射，而另一個從下模式出射根據(jù)空間模式不同，可以完全糾正比特翻轉(zhuǎn)錯誤!相位錯誤無法糾正！超糾纏現(xiàn)在是28頁\一共有74頁\編輯于星期日確定的糾纏純化（2）超糾纏態(tài)：總的密度矩陣頻率部分空間部分受噪聲后的極化糾纏態(tài)Y.B.Sheng,F.G.DengPRA032307(2010)Cite130現(xiàn)在是29頁\一共有74頁\編輯于星期日比特翻轉(zhuǎn)錯誤純化后：現(xiàn)在是30頁\一共有74頁\編輯于星期日Hadamard操作后：可以通過頻率上轉(zhuǎn)換將頻率抹平，得到標(biāo)準(zhǔn)形式的最大糾纏態(tài)現(xiàn)在是31頁\一共有74頁\編輯于星期日特點：(1)以確定的方式得到了保真度為1的最大糾纏態(tài)，這是以前所有方案中沒有的；(2)沒有光子損耗，與傳統(tǒng)純化方式相比，節(jié)省大量資源；(3)在實驗上面不需要單光子探測；(4)我們證明我們的純化可以用非局域下的貝爾態(tài)分析?，F(xiàn)在是32頁\一共有74頁\編輯于星期日單對光子：兩對光子：Yu-BoSheng,Fu-GuoDeng,Phys.Rev.A.82,044305(2010)Cite:86pP2<<P確定的糾纏純化（3）現(xiàn)在是33頁\一共有74頁\編輯于星期日單對光子：p現(xiàn)在是34頁\一共有74頁\編輯于星期日OutputmodesBellstatesD2D7D5D4D2D4D5D7現(xiàn)在是35頁\一共有74頁\編輯于星期日利用CNOT門循環(huán)純化（Bennettetal,PRL1996）改進(jìn)的CNOT門循環(huán)純化（Deustchetal,PRL1996）利用線性光學(xué)元件PBS實現(xiàn)純化（Panetal,Nature2001，Nature2003）利用cross-Kerr介質(zhì)實現(xiàn)循環(huán)純化（Shengetal,PRA2008）利用超糾纏實現(xiàn)兩步確定純化（Shengetal,PRA2010）利用線性光學(xué)元件PBS實現(xiàn)一步確定的純化（Shengetal,PRA2010）當(dāng)前實驗條件下可實現(xiàn)！利用空間糾纏實現(xiàn)極化糾纏純化（SimonandPan,PRL2002）現(xiàn)在是36頁\一共有74頁\編輯于星期日糾纏純化新進(jìn)展（1）Cite19現(xiàn)在是37頁\一共有74頁\編輯于星期日HybridEntanglementisusefulinQuantumrepeaters!現(xiàn)在是38頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是39頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是40頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是41頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是42頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是43頁\一共有74頁\編輯于星期日Purification：Y.B.Sheng,L.Zhou,andG.L.Long,Phys.Rev.A88,022302(2013)現(xiàn)在是44頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是45頁\一共有74頁\編輯于星期日比特翻轉(zhuǎn)錯誤：可以增強(qiáng)相干態(tài)！現(xiàn)在是46頁\一共有74頁\編輯于星期日相位翻轉(zhuǎn)錯誤：轉(zhuǎn)化成比特翻轉(zhuǎn)錯誤！現(xiàn)在是47頁\一共有74頁\編輯于星期日相干態(tài)損耗錯誤：現(xiàn)在是48頁\一共有74頁\編輯于星期日通過數(shù)學(xué)變換，相干態(tài)損耗錯誤可等價于另一組基下的比特翻轉(zhuǎn)錯誤！現(xiàn)在是49頁\一共有74頁\編輯于星期日多光子多相干態(tài)的純化現(xiàn)在是50頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是51頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是52頁\一共有74頁\編輯于星期日糾纏純化新進(jìn)展（2）現(xiàn)在是53頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是54頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是55頁\一共有74頁\編輯于星期日PRL111,020502(2013)現(xiàn)在是56頁\一共有74頁\編輯于星期日Singleserver:Theclienthastohavesomeminimunquantumpower,suchastheabilityofemittingrandomlyrotatedsingle-qubitstates,ortheabilityofmeasuringstates.TwoServer:(theyshareBellstates,butcannotcommunicatewitheachother)Theclientcanbecompletelyclassical.現(xiàn)在是57頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是58頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是59頁\一共有74頁\編輯于星期日CleanBellstatepairsisnecessary.Theyneedtheentanglementdistillation.現(xiàn)在是60頁\一共有74頁\編輯于星期日BFKblindprotocol[1]現(xiàn)在是61頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是62頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是63頁\一共有74頁\編輯于星期日Double-serverblindprotocol現(xiàn)在是64頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是65頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是66頁\一共有74頁\編輯于星期日特點：1theyrequirenpairsofdegradedmixedstates.Afterrepeatingtheirprotocolformanyrounds,theycanfinallyobtainaboutpairsofmaximallyentangledstates.2Theyalsoexploitthecontrolled-notgatetocompletethetask,whichisnotexperimentallyfeasibleincurrenttechnology.3Moreover,theyrequiretheinitialfidelityofthemixedstatetobegreaterthan81%.現(xiàn)在是67頁\一共有74頁\編輯于星期日OurprotocolY.B.Sheng,andL.Zhou,ScientificReports15,7815(2015)現(xiàn)在是68頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是69頁\一共有74頁\編輯于星期日初始狀態(tài)：退相干:現(xiàn)在是70頁\一共有74頁\編輯于星期日沒有出錯：兩邊相位移動一樣！現(xiàn)在是71頁\一共有74頁\編輯于星期日出錯：兩邊相位移動不一樣！現(xiàn)在是72頁\一共有74頁\編輯于星期日現(xiàn)在是73頁\一共有74頁\編輯于星期日優(yōu)點：1First,wecanobtainthedeterministicmaximallyentangledstatewiththesuccessprobabilityof100%inprinciple.2Second,fromourdescription,theinitialfidelityFofthemixedstatecanbearbitrary