远程量子通信中的物理问题研究

远程化、网络化是量子通信走向实用的必然要求。本项目将紧密联系具体实验，对远程量子通信中的部分物理问题展开深入研究，研究损耗噪声环境下的光量子态避错传输新方法、新思路，探索纠缠光量子系统经有损噪声传输后的实用纠缠纯化方法，结合纠缠系统的抗噪声能力和纠缠存储研究量子中继器中的纠缠链接等物理问题。在有损噪声下的量子态避错传输上，提出若干在实验上易操作的物理方案并应用于量子通信的若干分支，克服有损噪声对远程量子通信安全和传输效率等方面的一些影响；在量子态的纯化处理上，综合信道噪声、损耗、实验实现难易，寻找有损噪声下的优化纠缠纯化方案；在纠缠链接上，结合量子网络节点存储问题，研究光与原子、光与电子等物理实体之间的纠缠链接，并应用于量子中继器、服务于远程量子通信。

远程化、网络化是量子通信走向实用的必然要求，而光子是量子信息的载体，它在光纤等量子通道中的传输不可避免地受到噪声的负面影响，包括降低光量子态的保真度和限制光子的有效传输距离，从而降低通信的安全性和实用性。为了克服这一缺陷，需要采用避错的光量子态传输方法压制信道噪声的大部分影响，然后通过纠缠纯化和纠缠浓缩技术进一步提高传输后光量子态的保真度，借助量子中继器完成长距离量子通信与网络量子通信。. 在本项目中，我们紧密联系实验，对纠缠浓缩、纠缠纯化、量子中继器、量子系统抗噪声能力、高容量与固态量子信息处理等远程量子通信中的一些重要物理问题开展了系统深入的研究，获得了一些有创新性的研究成果：(1) 提出了系数劈裂纠缠浓缩方法，这是基于实验上极易实现的线性光学元件下的纠缠浓缩新方法，被同行称为是最有效的、最实用的纠缠浓缩方法；(2) 提出了光子两自由度超纠缠纯化的第一个物理模型和高效的两步超纠缠纯化方案，引领了超纠缠纯化与超纠缠浓缩研究；(3) 提出了原子系综的纠缠纯化与纠缠浓缩方案，并结合光量子态的保真传输、纠缠链接、纠缠纯化，提出了基于原子系综的预报式的量子中继器模型；设计了基于电子自旋的、具有避错功能的固态量子中继器; (4) 研究了2x3量子系统两参数类态的纠缠动力学规则，发现纠缠突然死亡是一个普适的现象；研究了一两参数类qubit-qutrit系统在各种耗散信道下的动力学；(5) 提出了超并行量子计算的概念，并构建了基于光子极化模式与空间模式两自由度的第一个超并行控制非门; (6) 研究了超导量子比特和超导共振腔量子比特的量子计算与量子纠缠态产生，提出了数个很好的物理方案，构建了一批紧致的普适的固态量子门。我们的这一些研究成果可以用于未来的量子中继与远程量子通信。. 在本项目研究过程中，发表标注本项目资助的SCI论文39篇，其中Phys. Rev. A、Optics Express、Scientific Reports等著名期刊上发表标注论文22篇，远超过了发表学术论文20篇的预计目标；在国内重要学术会议上作学术报告25次，远超过了4-6次的预计目标；培养硕士毕业生1名、博士毕业生5名，在读硕士生6名、博士生5名；2013年获得国家自然科学二等奖(第二完成人)一项。