高斯操作辅助下的量子无噪线性放大研究

The fundamental of quantum mechanics poses several general limitations on the amplifications of quantum states. There exists no process of quantum amplifying without introducing excess noises. Quantum noiseless linear amplification (NLA) is a process in which quantum states are amplified noiselessly but probabilistically. It has been shown that NLA can be used to prolong the secure distance of quantum communication and to improve the fidelity of quantum state transmission. In this project, we plan to investigate the improvement of noiseless linear amplifiers with Gaussian operations. Precisely, our researches will include: (1)The study of the Gaussian-unitary-enhanced amplifier, aiming to track the physical mechanism underlying such an improvement in a subspace where more and more photons resides. (2) The study of improving noiseless linear amplifers with more generalized Gaussian operations, aiming to investigate the physical limit of the tradeoff between gain and success probability in noiseless linear amplification schemes. Finally, we will also design an optimized amplifiers for coherent state and Schr?dinger-Cat optic fields.(3)We plan to study amplification of weak quantum signal in long-baseline interferometers. We will investigate the effect of the photon loss in the quantum interferometer and investigate the corresponding precision in phase estimation. We will also investigate whether amplifiers could give a further enhancement in breaking the shot-noise limit and in approaching Heisenberg limits. Such an investigation will provide more efficient noiseless linear amplifiers and will be more of practical relevance in quantum phase estimation and quantum communications.

量子力学的基本原理决定了对量子态的放大势必引入附加噪声。量子无噪线性放大可以概率性地实现无引入附加噪声的放大，能够有效提高量子保密通信的距离和量子态传输的保真度。本项目拟开展的研究是高斯操作辅助下的量子无噪线性放大的设计和应用，主要包括三方面内容:(1)研究高斯酉操作辅助下的量子无噪线性放大方案，在较大光子数子空间中理清其物理机理。(2)研究广义高斯操作对量子无噪线性放大方案的增强作用，分析研究放大增益与成功概率之间的均衡关系。针对相干态和薛定谔猫态光场，设计较优秀的量子无噪线性放大方案。(3)分析远距离光学位相测量中弱光信号的量子放大问题，研究量子无噪线性放大在提高测量精度方面的应用。本项目的工作将丰富和优化量子无噪线性放大方案，为其在精密测量和量子通讯中的应用打下基础。

由于量子态叠加原理，一个未知量子态的放大总会引入噪声。量子无噪放大是近年来兴起的一个重要研究方向，通过牺牲成功概率的方式实现放大任意位相输入的量子态，并通过对辅助光场模式的光子数的标记提取出放大后的量子态。这样，量子无噪放大可以对量子态进行高保真地放大且不引入噪声，能够解决量子态在量子通信、量子计量中经过信道损失而质量下降的问题。本项目围绕量子无噪放大技术，在Ralph提出的量子无噪放大模型上引入高斯操作，优化量子无噪放大的放大增益，解决放大增益和成功概率的平衡关系。同时，将量子无噪放大技术与量子计量中的一些新兴成果相结合进行应用示范，在新的框架下验证量子无噪放大对量子位相估计的改进效果。具体地，.（1）高斯酉操作下的量子无噪放大研究。我们给出了一个普适的酉操作下量子无噪放大的放大增益和成功概率的模型，编写程序来实现10光子数空间的量子无噪放大机制，结果显示成功概率和放大增益仍具有提升效果。.（2）广义高斯操作对量子无噪放大的增强研究。将位移操作、压缩操作、位相操作等高斯操作用于量子无噪放大模型，结果显示，通过调节位移算符、压缩算符的位移量和压缩量，可以让量子态的放大增益和成功概率均获得提升，并且位移算符的提升效果较压缩算符更优。.（3）量子无噪放大方案在长基线弱热光干涉仪应用研究。目前基于量子技术的长基线弱热光干涉仪有两种方案，一种是非局域的直接测量方案，一种是基于纠缠分发的测量方案。研究结果显示，直接测量方案中双边损耗信道中的光子损失可以被量子无噪放大完全补偿。纠缠分发方案中的光子损失无法利用量子无噪放大来完全补偿。同时，位移操作、压缩操作优化后的量子无噪放大器，均能提升干涉仪位相估计的精度。这一结论为实际条件下量子无噪放大与长基线弱热光干涉仪的有效结合提供了理论基础。