量子克隆在量子信息处理中的应用及其相关多体纠缠问题研究

对量子克隆理论的全面深入研究不仅有助于我们对量子力学的一些基本问题的深刻理解、新的物理现象的发现，而且在量子信息处理和量子操纵理论中有着广泛的应用前景。本项目研究（离散变量）量子克隆方面尚未解决的一些基本问题 （如高维相位协变态的 M→N（M＜N ）最佳克隆保真度及变换、特定范围内量子态的克隆、纠缠在量子克隆中的作用的刻画等），分析这些问题的解决思路和处理方法，试图找到相应的答案、给出一般性的结论，从而进一步完善量子克隆的基本理论；探讨量子克隆在量子信息处理中的应用，研究一些具体的实例，总结归纳出能利用量子克隆来提高效益的量子信息处理任务的共同特点，再分析、导出一般性的结论，从而为量子克隆的实际应用研究迈出重要的一步；研究与量子克隆相关的多体纠缠问题，为多体纠缠的特性研究和最优应用提供知识积累和理论依据。

.该项目研究了量子克隆与量子纠缠的关系及其应用，解决了一些重要的理论问题，揭示了一些反常的物理现象。我们找到了一种实现高维相位协变态的经济的1→N量子克隆的幺正操作，并利用相应的克隆态构造出了能实现相应远程克隆的多体纠缠信道；同时揭示了一种奇特的纠缠现象，即利用特殊的部分纠缠态比利用最大纠缠态能更好地实现上述远程量子克隆任务。解决了高维系统中通用远程量子克隆的逆转问题（远程量子信息浓缩）；同时发掘了一种反对称四体高维束缚纠缠态，并将其推广到了2N体的情况；另外还发现反对称束缚纠缠态也能实现完备的量子信息处理等反直觉现象。研究了相位协变态远程克隆逆转的实现问题，并提出了一种利用W类纠缠态实现相位协变态远程克隆逆转的方案。研究和模拟了量子克隆过程中辅助系统非理想初态对克隆结果的影响。发现了不同类型多体纠缠纯态能完成相同的多方量子信息处理任务以及同一纠缠态能完成两个相反的信息处理过程（远程克隆与信息浓缩）的反常量子现象；并揭示了能同时完成相同的远程克隆与信息浓缩的多体纠缠态的共同特征，即它们有共同的对易稳定子。研究了远程量子克隆与信息浓缩在分布式量子信息处理方面的应用以及提高多方协作量子通信安全性方面的作用。另外，我们还研究了相关多体纠缠态的操纵、多体纠缠态制备的基本单元的光学实现以及噪声环境中纠缠态的退相干动力学特征与分发等问题：提出和改进了一种基于宇称门（或称为非破性宇称探测器）的普适的非破坏性GHZ态分析仪；提出和改进了一种基于弱交叉克尔非线性的非破坏性两光子宇称探测器的设计原理和实验方案，其中克尔非线性的强度比传统方法中的非线性强度可以小几个数量级，从而大大降低实验难度和技术要求；首次提出了等级制的量子信息分配思想和方案；研究和设计了真实的(k, m)-阈值受控量子隐形传态方案 (k<m)；揭示了一些三体纠缠态（包括相位协变远程克隆态）在XY型自旋链“三点”相互作用环境下的纠缠动力学特征；揭示了量子弱测量法对纠缠的保护作用与纠缠态形式有关的物理现象。上述成果将有利于推进量子克隆及应用、多体纠缠及其在量子信息处理方案的设计与优化中的应用等基础理论问题的研究。