噪音环境下量子纠缠态操纵与高保真传输的理论研究

本项目拟基于原子-光子比特设计出可以有效克服环境噪音的可推广的量子纠缠态操纵与高保真传输的理论方案。抵制退相干问题和可推广问题是实现量子信息首先需要解决的重要问题。本项目中首先利用腔QED（腔量子电动力学）和光学器件系统的组合提出有效方案以实现确定的多原子或光子之间的量子纠缠态制备以及量子相位门操作。在方案中，环境噪音对极化光子的退相干影响，腔场的耗散以及原子的自发辐射可以得到有效抑制，而且保真度不会随着比特数目的增加而减少；然后研究多比特光子任意极化纠缠态基矢的完全非破坏可区分性问题和高保真传输问题。根据所要研究的纠缠态的性质选择恰当的自由度组成超纠缠态作为研究载体，充分考虑环境噪音对研究系统的影响，在cross-Kerr介质和光学器件的帮助下提出有效的理论方案，可以成功的实现多光子任意极化纠缠态完全非破坏可区分和高保真传输，并且方案的成功几率可以达到100%。

本项目基于原子-光子比特提出可有效克服环境噪音影响的、可推广的量子纠缠态操纵与量子信息高保真传输的理论方案。抵制退相干问题和可推广问题是实现量子信息首先需要解决的重要问题。本项目中，我们首先研究了利用腔QED系统、光纤、极化光子实现高保真纠缠态操纵和量子信息传输问题。其中包括两部分，（1）利用线性光学原件、cross-kerr非线性材料的帮助提出了有效方案实现多光子纠缠态的制备。（2）在腔QED（量子点动力学）系统中（单个腔系统和多个腔耦合系统），利用绝热方法、Zeno动力学，量子反馈控制等方法实现了纠缠态操纵和量子计算。然后，研究了可抵制噪音影响的、可推广的量子计算问题和纠缠态的高保真传输问题。在方案中考虑了光学器件的工作效率和探测器的探测性能。并将研究方案推广到复杂网络系统，提出执行任意多光子相位门的有效方案，使研究更具有普遍意义。同时，研究了腔QED系统中量子信息处理的相关问题。利用耗散，Zeno动力学等方法实现原子系统的高保真量子计算和纠缠态操纵。最后研究了联合量子态远程制备以及量子纠缠态非破坏可区分。我们利用EPR对等量子纠缠态资源作为量子通道实现多方联合远程制备W纠缠态、任意三粒子纠缠态等，实现了确定性的量子纠缠态远程制备。还研究了量子纠缠态非破坏可区分。利用动量、时间、极化（偏振）和空间模等组成的超纠缠态作为研究的载体，在cross-Kerr介质的帮助下，用常规探测器探测掉超纠缠态中辅助的自由度，从而成功的非破坏区分剩余极化自由度组成的纠缠态所处在的基矢。方案可以推广到区分多光子任意极化纠缠态的基矢，并且成功几率可以达到100%。基于本项目支持，已发表被SCI收录的科研论文21篇；已毕业硕士生5人，博士在读1人，硕士在读7人；项目组成员参加国内学术会议15人次，邀请国内专家学者讲学、报告3人次；项目组成员1人晋升教授，1人晋升副教授。获得各种级别奖项5项。综上所述，经过项目组成员三年的努力，已超额完成了本项目的预期研究目标。