多体量子纠缠与量子信息网络研究

Quantum information network refers to the information network consists of quantum transmission channels and quantum nodes, which follows the laws of quantum mechanics for information computation, storage, communication, and processing. Entanglement of two spacelike-separated systems is one of the most important features of quantum mechanics and is an essential resource for many existing quantum information experiments. Recent experimental realization of genuine multipartite continuous-variable entangled states and multiple-photon GHZ states, suggests a possibility to use the multipartite entanglement shared among all remote parties for multi-signature quantum information network. The applicant has developed the concept of genuine N-partite Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) steering and its potential application in one-sided device-independent quantum secret sharing [PRL 111, 250403 (2013)], which has recently been realized experimentally by Lam's group in the Australian National University. Based on this work, this proposal focuses on developing (genuine) multimode quantum entanglement and EPR steering in many hybrid quantum atom-optomechanical nodes. This scheme paves an alternate route for a scalable quantum network. Using methods beyond the mean-field approximation, we aim at dynamic properties of the multipartite entanglement against the detrimental effects of the thermal environment. We also examine the quantum realm and the macroscopic classical world with increasing number of parties. In addition to giving insights into fundamental questions in physics, understanding and controlling (genuine) multipartite entanglement and steering in open systems may have strong implications in securer quantum communication or cryptography, quantum computing, quantum simulations of complex many-body systems,and quantum metrology. Research about this topic will be closely related to experimental progresses and assist experimental designs with multi-user quantum information network.

量子网络是指由量子传输通道和量子节点组成的复杂信息网络，它利用量子纠缠作为资源，遵循量子力学规律进行信息的运算、存储及传输。目前，基于两体纠缠的量子信息在理论和实验上都取得了丰硕的成果。随着实验成功制备多光子和多模光场纠缠态，多体纠缠已经成为一种重要资源，且在量子信息处理中有新的应用。申请人最近给出了一类具有EPR非定域性的真正多体纠缠的存在判据，利用该资源可以实现更安全、具有指向性的多方量子秘密共享方案。多体量子纠缠具有比两体纠缠更加丰富的纠缠结构和更为复杂的性质，在定性和定量的研究上都还处于探索阶段。本项目聚焦多体量子纠缠，针对多模连续变量光场以及冷原子与腔光力学杂化量子系统，采用超越平均场近似的方法，深入研究多体纠缠、特别是具有EPR非定域性的多体纠缠的判定、分类及度量问题，刻画热环境下多体量子系统的纠缠动力学行为，紧密结合实验，力争解释实验结果，并辅助实验设计多用户量子信息网络。

量子纠缠不仅是量子力学中一个基本概念，也被认为是量子通信、量子计算、量子密码和量子精密测量等技术的重要资源。随着体系粒子数目的增加和单个粒子维度的升高，量子纠缠结构和形式的复杂性会迅速增长，近年来多体高维量子纠缠态的制备、调控、特性，以及应用研究逐渐成为量子物理和量子信息领域的科学前沿问题。相比双光子量子比特纠缠，多体高维纠缠态在高速运算、增大信息容量、确保信息安全等量子计算和量子通信方面具有独特优势。同时，它在量子力学的一些基本问题研究方面也有非常重要的应用。本项目聚焦多体量子纠缠与量子信息网络的研究，通过4年努力，项目取得了一系列创新性研究成果，已发表受基金标注的研究论文19篇（另有4篇arxiv在线）其中PRL 4篇，Physical Review系列等15篇。主要成果如下:.（1）针对实验广泛应用的双模高斯态，给出了不同类别量子关联的统一实验判定依 据和度量标准，为后续实验检测提供了简单有效依据；进一步给出了连续变量的量子隐形传态与EPR steering 之间存在一定的联系，证明双向量子导引是实现不可克隆量子隐形传态的的必要条件。 .（2）给出了多模高斯态系统量子导引的单配性约束关系，以及量子导引能力与量子秘密共享成码率之间的依赖关系；进而与山西大学实验组合作，利用光学系统制备的四模式簇态对高斯导引的多种单配性进行了实验检验。由多方共享的量子引导关联作为保密通信的安全基础，原则上可以抵御信息传输过程中的任何黑客攻击，为未来构建多方量子通信网络提供前所未有的安全保证。.（3）针对包含光场、振子、原子系综的复合腔光机械系统，研究了体系量子态的三体纠缠结构和特性；玻色气体在光腔发生超辐射相变之后原子系统的稳态纠缠；提出了通过将具有等效正负质量的原子系综和薄膜与单向传输的光场进行串联耦合，通过相干噪声消除实现宏观物体之间无条件稳态纠缠的理论方案，可以达到条件纠缠的同等强度，为量子信息技术提供即时可用的纠缠资源。