量子态放大及其在量子信息处理中的应用研究

We will research on the problem of optical quantum qubits loss and its error in long-distance quantum communication. We will study the new high efficient and practical method of quantum qubits amplication in linear and nonlinear optics. We will propose some cascaded amplication protocols for single quantum qubit, multi-photon entangled states, and so on. We will also study the quantum qubits amplication under current imperfect experimental conditions, such as practical single-photon source, entanglement source and the imperfect detection. Combined with the entanglement purification and entanglement concentration, we will try our best to apply our protocols in current long-distance quantum communications.

本项目将围绕长距离量子通信中的光量子态丢失以及编码出错问题开展研究。研究基于线性光学、非线性光学条件下高效的可实用化的量子态放大新方法，探索针对单量子比特、多量子纠缠态的可循环的、级联的放大方案；研究在实际单光子源、纠缠源以及探测器条件下，可实验实现的量子态放大方案；并将这些方法与量子纠缠纯化、纠缠浓缩相结合，运用到实际的长距离量子通信中。

本项目主要围绕量子通讯领域的几个关键研究方向--量子态放大、纠缠纯化及浓缩、贝尔态分析、纠缠测量、纠缠制备、量子安全直接通信等开展研究。在该项目的支持下，研究组取得了较好的研究成果，在项目完成期间共发表SCI论文34篇，其中项目主持人作为第一作者，发表SCI论文11篇。研究成果主要分为如下几个方面： 1. 项目组提出了利用理想纠缠态辅助实现单光子W态的量子态放大方案；利用当前实验条件下的下转换纠缠源（SPDC源）辅助实现单光子和单光子纠缠态的量子态放大方案；利用交叉克尔介质实现单光子纠缠态的可循环放大方案。2. 项目组提出了利用线性及非线性光学元件来实现逻辑贝尔态及光级联Greenberger-Horne-Zeilinger态（C-GHZ态）的纠缠纯化和浓缩方案，以及NOON态、多光子GHZ态、W态的纠缠浓缩方案；利用time-bin纠缠辅助实现极化光子态的确定性纠缠纯化方案。3. 项目组利用线性光学元件及非线性光学元件，实现了部分逻辑贝尔态分析及完全逻辑贝尔态分析。4. 项目组提出了关于非局域原子纠缠态、2-qbit电子纠缠态、光子纠缠态、原子纠缠态的纠缠测量方案，以及首次提出了超纠缠态的纠缠测量方案。5. 项目组提出了任意光C-GHZ态以及C-GHZ纠缠相干态的制备方案。6. 项目组与中科大郭光灿院士研究团队合作，首次实现了基于冷原子存储系综的量子安全直接通信实验验证。