量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)主要內(nèi)容基本概念量子隱形傳態(tài)的基本理論量子態(tài)轉(zhuǎn)換一、1997年,奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。二、2004年，這個(gè)小組利用多瑙河底的光纖信道,成功地將量子態(tài)隱形傳輸距離提高

到600米。但由于光纖信道中的損耗和環(huán)境的干擾,量子態(tài)隱形傳輸?shù)木嚯x難以

大幅度提高。三、2004年，中國(guó)科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)

距離的量子通信。在自由空間,環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小,而光子一旦穿

透大氣層進(jìn)入外層空間,其損耗更是接近于零,這使得自由空間信道比光纖信道

在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)。這個(gè)小組2005年在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空

間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄,同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光

子的可行性。四、2007年開始，中國(guó)科大——清華大學(xué)聯(lián)合小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間架

設(shè)長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸

穿越大氣層的可行性，為未來衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)最新進(jìn)展中科大和清華大學(xué)的聯(lián)合研究小組實(shí)現(xiàn)16公里的自由空間量子隱形傳態(tài)北京八達(dá)嶺到河北張家口市懷來縣

量子隱行傳態(tài)：將粒子的未知量子態(tài)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方，把遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子制備到此態(tài)，原來的粒子仍在原處。定義：TeleportinganunknownquantumstateviadualclassicalandEPRchannels基本思想：

將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分。他們分別通過經(jīng)典通道和量子信道傳輸給接收方。經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物通過某種測(cè)量得到。量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的信息。實(shí)現(xiàn)過程：Alice和Bob在空間上分隔兩地，Alice擁有粒子1、2,Bob擁有粒子3。在這里，粒子1處于信息態(tài)：未知概率幅包含相應(yīng)的信息傳輸?shù)牧孔討B(tài)而粒子2和3構(gòu)成了四個(gè)Bell基其中之一，是一個(gè)完全的糾纏態(tài)，其可以作為Alice和Bob之間的量子通道，表示為：Bell基這三個(gè)粒子所組成的系統(tǒng)總的狀態(tài)為：以粒子1和2的四個(gè)Bell基為展開次狀態(tài)Alice要將手中粒子1的信息態(tài)（實(shí)際即）傳送到Bob手中的粒子3。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，必須首先由Alice對(duì)粒子1和2作Bell基測(cè)量，并且將測(cè)量的結(jié)果用經(jīng)典信息通道告訴給Bob，然后Bob根據(jù)Alice提供的信息，決定對(duì)粒子3作幺正變換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子1的傳輸。具體操作過程及結(jié)果如下：1）、如果Alice宣布Bell基測(cè)量結(jié)果為（即粒子3坍塌到展開式第一項(xiàng)），則Bob手上粒子3的態(tài)將為。此時(shí)Bob對(duì)粒子3做X操作：2）、如果Alice宣布Bell基測(cè)量結(jié)果為（即粒子3坍塌到展開式第二項(xiàng)），則Bob手上粒子3的態(tài)將為。此時(shí)Bob對(duì)粒子3做Y操作：3）、如果Alice宣布Bell基測(cè)量結(jié)果為（即粒子3坍塌到展開式第三項(xiàng)），則Bob手上粒子3的態(tài)將為。此時(shí)Bob對(duì)粒子3不做任何操作4）、如果Alice宣布Bell基測(cè)量結(jié)果為（即粒子3坍塌到展開式第四項(xiàng)），則Bob手上粒子3的態(tài)將為。此時(shí)Bob對(duì)粒子3做X操作：例子：設(shè)計(jì)進(jìn)行量子隱形傳態(tài)的量子電路首先送信者和收信者共同擁有如下的貝爾狀態(tài)送信者的初期狀態(tài)如下：1）、送信者A將自己擁有的兩個(gè)qubit經(jīng)過控制非門（CNOT）演算變換后，此時(shí)送收信者狀態(tài)將變換成如下狀態(tài)：2）、送信者A將自己擁有的第一個(gè)量子比特進(jìn)行H門操作測(cè)量他們分別通過經(jīng)典通道和量子信道傳輸給接收方。TheprocesssummarizationTheinteractionHamiltonianofcavity-fibercanbewrittenas量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的信息。此時(shí)Bob對(duì)粒子3做Y操作：ModelandPurpose在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)。如果探測(cè)到A1和A2的符合,那么B光子應(yīng)當(dāng)處于45°的偏振態(tài).Thisistheveryreasonwhyquantumteleportationusingcoherenttwo-particlesuperpositionsworks,whileanymeasurementononeparticlesuperpositionswouldfail.的偏振態(tài)上,這個(gè)光子入射到分束器BS,與Alice的光子疊加在一起.在自由空間,環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小,而光子一旦穿2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸設(shè)長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在以粒子1和2的四個(gè)Bell基為展開次狀態(tài)而粒子2和3構(gòu)成了四個(gè)Bell基其中之一，是一個(gè)完全的糾纏態(tài)，其可以作為Alice和Bob之間的量子通道，表示為：第三者Carol通過偏振器把其光子制備到待發(fā)送偏振探測(cè)器PD可以將B光子按其偏振狀態(tài)的不同經(jīng)由不同通道輸出,當(dāng)B光子處于45°偏振態(tài)時(shí),探測(cè)器B+接收到光子,而探測(cè)器B-只能接收到處于-45°偏振的B光子.但由于光纖信道中的損耗和環(huán)境的干擾,量子態(tài)隱形傳輸?shù)木嚯x難以經(jīng)典通道有關(guān)量子teleportation隱形傳態(tài)值得注意一點(diǎn)是：在執(zhí)行測(cè)定的同時(shí)，送信者將毀滅自己希望傳送的qubit。也就是說：在執(zhí)行測(cè)定的瞬間送信者將失去自己的qubit，這個(gè)qubit附載的信息被傳送給了受信者。如此說來，是否可以說借助量子teleportation隱形傳態(tài)技術(shù)可以超越光速傳遞信息，回答是“No”。為什么，因?yàn)槭招耪咴跍y(cè)定發(fā)生的瞬間無法得知送信者傳送的qubit，只有當(dāng)受信者獲得送信者通過經(jīng)典信道傳送過來的2bit信息，并對(duì)送信者的qubit執(zhí)行復(fù)原變換后才可獲知送信者的信息。從這一點(diǎn)上來說，利用量子teleportation隱形傳態(tài)技術(shù)傳遞信息，并非可以超越光速，這與物理法則并不矛盾。思考實(shí)驗(yàn)執(zhí)行（證明）圖2是奧地利小組的實(shí)驗(yàn)原理裝置.O是糾纏光子對(duì)的光源(即參量下轉(zhuǎn)換器件),孿生光子分別傳送給Alice和Bob,Alice處有半透半反分束器BS和光子探測(cè)器A1,A2,Bob處有偏振探測(cè)器PD和兩個(gè)光子探測(cè)器B+,B-.第三者Carol通過偏振器把其光子制備到待發(fā)送的偏振態(tài)上,這個(gè)光子入射到分束器BS,與Alice的光子疊加在一起.為敘述方便,我們將Alice,Bob,Carol三人的光子分別稱為A,B,C光子.根據(jù)分束器的量子理論,每個(gè)入射光子的反射或透射的幾率相同,當(dāng)分束器的兩個(gè)輸入口同時(shí)有一個(gè)光子進(jìn)入時(shí),兩個(gè)光子的反射和透射幾率幅將發(fā)生重疊.基于量子力學(xué)的幺正性,若兩個(gè)光子同時(shí)被反射會(huì)出現(xiàn)一個(gè)附加負(fù)號(hào),因此,兩個(gè)過程會(huì)彼此抵消.當(dāng)然,只有在兩個(gè)入射光子處于對(duì)稱態(tài)的場(chǎng)合才會(huì)出現(xiàn)這種情況.在兩個(gè)入射光子處于反對(duì)稱態(tài)[即如(1)式所示的單重糾纏態(tài)]時(shí),兩種幾率將會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)附加相對(duì)負(fù)號(hào),因而產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉.因此,若A光子和C光子處于單重糾纏態(tài),那么分束器BS兩個(gè)輸出端的探測(cè)器將同時(shí)記錄到光子(即符合計(jì)數(shù)).借助于探測(cè)器A1和A2的這種符合計(jì)數(shù),可以將A光子和B光子投影到Bell基中的單重態(tài)上.為了確實(shí)一個(gè)未知的量子態(tài)能夠被隱形傳送,該實(shí)驗(yàn)首先演示一組完備基矢可以被隱形傳送,然后再證實(shí)這個(gè)基矢的疊加態(tài)也可以被隱形傳送.為此,先使C光子處于45°線偏振態(tài),通過記錄探測(cè)器A1和A2之間的符合,可以識(shí)別C光子與A光子單重態(tài)|ψ-出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果的幾率是25%.如果探測(cè)到A1和A2的符合,那么B光子應(yīng)當(dāng)處于45°的偏振態(tài).偏振探測(cè)器PD可以將B光子按其偏振狀態(tài)的不同經(jīng)由不同通道輸出,當(dāng)B光子處于45°偏振態(tài)時(shí),探測(cè)器B+接收到光子,而探測(cè)器B-只能接收到處于-45°偏振的B光子.為證實(shí)量子隱形傳態(tài),一旦探測(cè)器A1和A2同時(shí)記錄到光子,此時(shí)應(yīng)當(dāng)只有B+會(huì)記錄到光子,而B-不可能探測(cè)到光子.因此,只要記錄到B+A1A2存在三重符合而B-A1A2不存在三重符合,便可證明A光子的偏振態(tài)已經(jīng)傳送給B光子了。TheprocesssummarizationAcompleteBell-statemeasurementcannotonlygivetheresultthatthetwoparticles1and2

areintheantisymmetricstate,butwithequalprobabilitiesof25%wecouldfindtheminanyoneofthethreeotherentangledstates.Whenthishappens,particle3isleftinoneofthreedifferentstates.ItcanthenbebroughtbyBobintothe

originalstateofparticle1byanaccordinglychosentransformation,

independentofthestateofparticle1,afterreceivingviaaclassical

communicationchanneltheinformationonwhichoftheBell-state.AnalyseItisalsoimportanttonoticethattheBell-statemeasurementdoesnotrevealanyinformationonthepropertiesofanyoftheparticles.Thisistheveryreasonwhyquantumteleportationusingcoherenttwo-particlesuperpositionsworks,whileanymeasurementononeparticlesuperpositionswouldfail.Aftersuccessfulteleportationparticle1isnotavailableinitsoriginalstateanymore,andthereforeparticle3isnotaclonebutisreallytheresultofteleportation.量子態(tài)轉(zhuǎn)換問題近距離量子信息交換方案Quantumstatetransfer此時(shí)Bob對(duì)粒子3做X操作：O是糾纏光子對(duì)的光源(即參量下轉(zhuǎn)換器件),孿生Alice要將手中粒子1的信息態(tài)（實(shí)際即）傳送到Bob手中的粒子3。此時(shí)Bob對(duì)粒子3不做任何操作首先送信者和收信者共同擁有如下的貝爾狀態(tài)1）、送信者A將自己擁有的兩個(gè)qubit經(jīng)過控制非門（CNOT）演算變換后，此時(shí)送收信者狀態(tài)將變換成如下狀態(tài)：2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸圖2是奧地利小組的實(shí)驗(yàn)原理裝置.透大氣層進(jìn)入外層空間,其損耗更是接近于零,這使得自由空間信道比光纖信道從這一點(diǎn)上來說，利用量子teleportation隱形傳態(tài)技術(shù)傳遞信息，并非可以超越光速，這與物理法則并不矛盾。為證實(shí)量子隱形傳態(tài),一旦探測(cè)器A1和A2同時(shí)記錄到光子,此時(shí)應(yīng)當(dāng)只有B+會(huì)記錄到光子,而B-不可能探測(cè)到光子.當(dāng)然,只有在兩個(gè)入射