连续变量量子导引的束缚特性和对抗量子退相干的实验研究

Quantum steering is another important quantum correlation between quantum entanglement and Bell-nonlocality. The study on quantum steering is of great significance not only for fundamental physics, but also for the applications in quantum information processing. The main purpose of this project is study the abundant properties of continuous variable quantum steering in multipartite entangled quantum resources. In the applications of quantum information technology, especially when quantum resources are transmitted in the quantum channels, the decoherence effect caused by the interaction between quantum resources and environment is an important factor limiting the development of quantum information technology. In this project, we are planning to transmit the quantum resources in quantum channels and then investigate the quantum steering properties including the quantum steering existence, the changing of directivity and monogamy relations depending on the transmission efficiency and the amplitude of extra noise. If the quantum steering disappearing happens in the transmission, we will complete the recovery of quantum steering by simulating the non-Markov environment with the correlated noisy channel. Also, we are going to extend the concept of bound-state into the field of continuous variable quantum steering. We are planning to study whether there exist the bound-state properties in quantum steering in multipartite quantum state; the relationship between bound-state properties and directivity also the monogamy relations; as well as the activability of the bound-state properties. Because the quantum steering has the directional property and satisfies the monogamy relation, also there are different quantum steering properties in multipartite Cluster state with different structures, the quantum steering has rich research contents and broad application prospects. This project can be helpful and has a certain reference value for long-distance quantum communication, also the design and usage of quantum communication network such as quantum secret sharing.

量子导引是一种介于量子纠缠和非局域性之间的重要量子关联，在基本物理研究和量子资源应用方面具有重要意义。本项目拟研究连续变量多组份纠缠态中丰富的量子导引特性。在量子信息技术应用中，量子资源与环境耦合引起的退相干作用是限制量子信息技术发展的重要因素之一。本项目拟研究量子导引在信道中传输时的特性，包括量子导引是否存在、方向性及单配性如何变化等；若传输过程中量子导引消失，利用关联噪声通道模拟非马尔科夫环境完成量子导引的恢复。此外拟将束缚态这一概念推广至量子导引领域，研究多组份量子态中是否存在具有束缚特性的量子导引、该特性与方向性和单配性之间的联系以及束缚特性是否可激活等。由于量子导引的单向性和单配性，且不同图结构的多组份Cluster态中存在不同导引特性，这预示着量子导引具有更丰富的研究内容和广阔的应用前景。本项目对量子资源的远距离量子通信和秘密共享等量子通信网络的设计和应用有重要的参考价值。

量子光学系统在信息的加载、传递、提取等方面具有显著优势，基于量子光学技术的量子信息科学具有广阔的应用前景。其中，本征态具有连续的谱结构的量子系统被称作连续变量系统，基于光场量子态的连续变量量子信息技术，主要通过在光场量子态上完成各种操作来实现对信息的编码、传输、计算和信息提取等过程。常用的光场量子态包括压缩态光场、EPR纠缠态光场和 Cluster 多组份纠缠态光场，近年来具有非对称特点的量子导引的发展更是丰富了量子资源的种类，为多样化的量子信息科学的发展提供了新的资源。在量子信息技术的应用过程中，尤其是量子通信网络的应用中，难以避免的要将所使用的量子资源通过量子信道在空间分离的量子节点之间传输，而量子通道中存在的损耗以及噪声会引起量子资源的退相干，导致量子特性随时间逐渐减少甚至消失，是限制量子信息技术发展的重要因素之一。本项目开展了关于量子资源在噪声环境中传输其量子导引特性变化的考察方，将量子资源中的一个子模式在损耗及噪声环境中进行传输，考察其量子导引是否存在，其方向性及单配性关系如何变化等特性。进一步地，在传输过程中出现量子导引消失的情况时，利用关联噪声通道模拟非马尔科夫环境的方法完成量子导引的恢复，为利用量子资源进行远距离量子通信及量子秘密共享等量子通信网络的设计和运用奠定了实验基础。另一方面，为了构建量子通信网络完成更复杂的量子信息任务，需要在两个远距离的空间分离的节点之间建立量子关联。本方案进一步通过一个损耗信道在分别包含两个、三个模式的两个节点之间通过前馈和测量的方法进行量子导引交换，建立了两个空间分离的量子节点间的不同特性的量子导引。在此基础上，本项目还总结了以连续变量高斯Cluster纠缠态为资源，基于前馈和测量方法的量子计算的实验方案，主要包括量子模拟和误差修正等，完成综述文章。由于量子资源的退相干，利用LOCC的方法可以从混合纠缠态中最大限度地提纯出纠缠态光场。但是有一种特殊的量子态束缚纠缠态光场，利用LOCC的方法不能从任意两个子模中提纯出纯的纠缠态光场，若将多组份的束缚纠缠态光场在分离的空间内分成多组，并对这些组份进行联合量子操作就可以在两个不同组份之间提纯出纠缠态光场，这样的多组份束缚纠缠态光场称之为可激活的束缚纠缠态。本项目理论上寻找并构造了合适的束缚纠缠态，完成量子导引束缚态特性的理论分析，并设计了束缚态激活方案。