量子纠缠纯化理论及其应用

We will study the quantum entanglement purification, which is one of the key steps in long-distance quantum communication. First, we will seek the optimized entanglement purification protocols for the multipartite and high demension quantum systems. Second, we will study the practical and recycled entanglement purification protocols in current experimental conditions. Third, with the concept of entanglement purification, we will solve the problem for the decoherence of the cluster state. Fourth, we also learn the entanglment purification in one-way quantum computation. We hope that our idea can be used to control the noise in quantum network and distributed quantum computation. Through the above studies, we hope that we can find some high efficient and practical entanglement purification protocols, and make some contribution to the long-distance communication and quantum computation.

本项目将围绕长距离量子通信中的关键技术之一- - 量子纠缠纯化开展理论研究。我们从理论上研究多粒子、高维系统的纠缠纯化的优化问题；寻找可实验实现的、能够循环调用的、实用的级联纠缠纯化方案；将纠缠纯化的思想用于多粒子簇态(cluster state)系统，解决基于线性光学、非线性光学的单向量子计算中的纠缠纯化问题，尝试用纠缠纯化的方法抑制量子网络、分布式量子计算中的噪声问题；并探索新型的量子信息处理方案中的噪声抑制处理，以及量子纠缠纯化的动力学特征等。本项目通过对量子纠缠纯化的系统性研究，能够得到一些高效的、实用的纠缠纯化方法，为长距离量子通信以及量子计算的实用化有所贡献。

项目组围绕量子纠缠纯化、纠缠浓缩、量子安全直接通信等展开系统研究。在PRL、PRA等期刊上发表学术论文47篇。项目主持人和成员为第一或通信作者发表SCI论文42篇，包括ESI热点论文1篇，ESI高被引论文2篇。被SCI引用680余次。盛宇波获2018年中国电子学会自然科学奖一等奖 (排名第三)；获2016年江苏省教育科学研究成果奖(自然科学奖)二等奖 (完成人：盛宇波，周澜)。项目组成员周澜获英国物理学会IOP出版集团“高被引作者奖”。.代表性研究工作(项目主持人为第一或通信作者):.(1)提出了逻辑比特纠缠的纯化。该工作被奥地利科学院院士H.J.Briegel教授在论文(PRA 95,062332 (2017))高度评价：“这是一个有趣的量子任务，因为它联合了纠缠纯化和量子纠错码的好处，并将在长距离量子通信中有着潜在的应用”。(2)提出了任意W态的纠缠浓缩方案。卡尔加里大学C.Simon教授在论文(JPB 50，215301(2017))引用该工作指出单光子在量子密码术，……，量子纠缠浓缩等方面非常有用，作为对他们单光子纠缠源工作的支持。(3)提出了可循环的单光子纠缠放大方案，被国际量子通信奖获得者Gisin教授(Opt. Exp. 24,125 (2016) )称赞为一个有趣的分发单光子纠缠的指示放大方案。(4)和中科大合作，实验实现了基于纠缠的量子安全直接通信，被国内外多个媒体报道，得到美国资深情报官员的重视，入选ESI热点论文。(5)首次提出了分布式量子机器学习的方案。 澳大利亚科学院和技术科学与工程院两院院士、APL主编B. J. Eggleton教授(Opt. Lett. 43,3469 (2018))引用该工作，认为他们的时间片段纠缠电路可以被集成实现更加复杂的电路，例如，分布式量子机器学习等，来作为对他们工作的支持。论文入选ESI高被引论文。(6)提出了双服务器的盲量子计算的纯化，该论文入选ESI高被引论文；以及噪声信道下单服务器盲量子计算方案。盲量子计算专家J. F. Fitzsimons在其综述(npj Quantum Information 3，23 (2017))引用两篇论文指出：重要的工作已经投入到清晰的计算盲计算的容错阈值以及克服服务器和用户之间的噪声 (引文为arxiv版本)，……，多服务器方面噪声已经被纠缠提纯方法解决。