组合腔量子电动力学和线性光学器件实现量子克隆

量子克隆的研究事关量子计算和量子通信的安全，与量子信息的提取、量子态的确认以及未来量子计算机的编程有着内在的联系。现有的单个物理体系由于受到自身可扩展性的限制，使得量子计算和量子通信网络难以实现。本项目拟对对称和非对称量子克隆的若干理论问题进行研究，期望解决复杂体系下的量子克隆信息分布问题，确保在合理的近似条件下提出量子资源的最优化量子克隆方案，解决研究中可能出现的新问题。结合原子与光子的优势，组合腔量子电动力学和线性光学器件，开展节点间量子纠缠的制备、量子逻辑门的构建等研究，建立量子计算网络，实现有效的量子克隆，并进一步探讨量子克隆在量子计算中的新应用。这些研究对量子信息的安全性有着重要的学术价值，结果将进一步推动量子计算基础研究与技术的发展。

在国家自然科学基金的资助下，主要在制备量子纠缠态、构建量子逻辑门和实现量子克隆上取得了一些进展：（1）利用信号模与探测模在cross-Kerr介质中发生非线性相互作用，选择合适的相互作用时间，采用非破坏性的零拍探测制备了多种光子纠缠态；通过腔QED和线性光学系统的结合，实现了分别囚禁在光腔中的原子的多粒子纠缠态的远程制备。（2）用线性光学元件，结合弱cross-Kerr效应，研究了任意四光子态以一定概率浓缩为四光子纠缠态的理论方法；组合腔QED和线性光学器件构建两个或多个量子比特逻辑门。（3）研究了两个非正交量子态的克隆，在克隆保真度和成功概率中寻找之间的关系，发现克隆保真度越高，成功概率越小；研究了多子系统各量子克隆机信息分布问题，利用腔量子电动力学在实现光子与囚禁原子之间的信息传递与交换中的特点，选择能够提供光子与原子强耦合相互作用的泄漏腔系统来完成量子通信网络的量子克隆设计。这个量子克隆机设计既考虑了简易性与可操作性也实现了其通用性，它既可以完成普适量子克隆机的要求，也能完成多种情况下的相位协变量子克隆机的要求。此外，在分离腔中还设计了多用途量子克隆方案，这个量子克隆可以更加方便的实现从光子量子比特和原子量子比特上拷贝量子信息。并且通过调节参数可以实现普适量子克隆、相位协变量子克隆以及经济性的相位协变量子克隆。