多体系统量子纠缠结构分析

Quantum entanglement is a fundamental feature of quantum mechanics which describes the correlations in quantum systems beyond the classical ones. Entanglement acts as an indispensable ingredient in many quantum information tasks, such as quantum cryptograph, quantum teleportation, and measurement based quantum computation. To harness the power of quantum mechanics in information processing, one should scale up the qubit number in quantum processors while keeping the quality of the quantum control on these qubits. As a result, analyzing and verifying the multipartite entanglement in these systems is essential..The proposed research grant application mainly focuses on three aspects. The first part is the analysis and detection of genuine multipartite entanglement. In the proposed research topic, we shall design a family of genuine entanglement witness and consider the trading off between the robustness to noise and detection efficiency. In addition, we will put forward a new multipartite entanglement quantifier and classification in the view point of part-and-whole, that is, acquiring entanglement information from local reduced density matrices..The second part focuses on the analysis and detection of multipartite entanglement structure. In practice, generated quantum states may deviate from the target states due to noises and imperfections. Thus we will develop efficient witnesses to detect the entanglement structure, such as entanglement depth and separability..The third part is to build measurement-device-independent (MDI) multipartite entanglement witnesses. The MDI framework can eliminate the effects of instrument imperfections (or the attack from a third party) on the measurement devices. Furthermore, we will also study the robustness of MDI entanglement witness and apply the corresponding results in an MDI-blind quantum computation.

纠缠作为量子力学的基本现象描述了量子系统里超越经典力学的关联。量子纠缠在量子信息处理任务中有着举足轻重的作用。在量子信息处理器中，精准控制是最关键的要求之一，这一能力在实际系统中往往反映在制备多体纠缠上。因此，分析和验证多体系统中的量子纠缠意义重大。本申请项目主要分三个部分。一、分析和探测多体量子全局纠缠。全局量子纠缠指的是体系中所有粒子都纠缠在一起，是一种比较强的纠缠。申请团队将在考虑抗噪声能力和探测效率之间平衡的基础上，设计一系列的纠缠见证，度量与分类。二、分析和探测多体量子纠缠结构。由于实验装置的不完美，制备的量子态可能会不再全局纠缠。申请团队将针对具有代表性的多体量子态，设计纠缠结构例如纠缠深度，可分性等的见证。三、研究测量设备无关的纠缠探测。测量设备无关方案可以避免测量装置故障而导致的探测结果错误。申请团队将研究测量设备无关的纠缠见证的鲁棒性，进而设计测量设备无关的量子盲计算。

纠缠是量子力学的基本现象，描述了量子系统里超越经典力学的关联，是重要的量子资源，在量子信息处理任务中起着核心作用，包括量子通信、量子计算、量子密码学和量子计量学。量子信息的实验研究致力于实现大规模量子设备，该领域的重要目标之一是在大规模量子系统中产生纠缠，因此分析和验证多体系统中的量子纠缠意义重大。研究团队在多体系统中量子纠缠的制备与验证，纠缠探测协议的理论分析，量子设备的快速基准测试方案等方面取得丰硕成果。此外，在量子纠缠的应用方面，研究团队提出了两种新型量子密钥分发协议，包括不要求相位匹配的量子密钥分发方案与模式配对量子密钥分发协议，还提出了一种类似于经典流密码的流式隐私放大方案。.具体来讲，研究团队提出了一种基于海森堡相互作用的大规模纠缠生成框架，该框架仅包含非常浅的电路，可以直接应用于许多实验平台，另外在光学晶格中，提出了产生可验证的全局纠缠态的方案，并针对生成的纠缠态提出了几种不同的高效全局纠缠探测方案。通过对纠缠探测协议的理论分析，研究团队发现纠缠判据的效率和有效性之间存在限制，高效的纠缠判据往往不够强大，而强大的纠缠判据则无法被高效的实验实现。在量子密钥分发方面，研究团队通过引入高维密钥编码空间，提出了一种不依赖于参考帧的相位匹配量子密钥分发的设计方案，由于高维编码相对容易实现，该方案有助于提升量子密钥分发协议的实用性。除该方案外，研究团队还提出了模式配对量子密钥分发协议，这是一种新型测量设备无关的协议，同时兼顾高性能和实用性，突破点对点量子密钥分发成码率。针对隐私放大环节，研究团队通过重构基于量子纠错的安全性证明过程，提出了一种类似于经典流密码的流式隐私放大方案，以解决最终密钥生成延迟和错误扩散的问题。.团队取得的研究成果不仅对量子力学的理论研究具有重要意义，还在量子计算、量子保密通信、量子精密测量等领域具有重要应用价值。