量子关联的度量及其与量子纠缠的比较

本项目拟从理论上探讨量子态中量子关联的物理内涵及其在量子信息领域中潜在的应用价值。量子关联与量子纠缠在本质上的联系和区别也是本项目关注的重点。研究主要分为三个阶段：首先，我们从量子非局域性角度出发给出2-4个关于量子关联的无量纲度量方案，使其在纯态情况下与concurrence保持一致，并依据其一般特性为量子关联做出合理的物理解释。第二阶段我们将提出具体的实验和数据处理方案来检验一个量子态中是否存在量子关联和量子纠缠，其中量子关联的验证只需要一组正交投影，而量子纠缠的验证需要至少两组正交投影测量。最后我们将探讨量子关联在量子信息领域的作用和潜在的应用前景。以实例演示的方式来说明量子关联在量子隐形传态，BELL测量，鬼成像等实验中所能起的作用，并跟量子纠缠在这些实验当中的角色做比较，进而追踪其背后的物理根源。本项目的研究内容既是量子信息领域的理论前沿，又和相关实验及应用紧密相关。

量子关联和量子纠缠是量子信息处理中的关键资源。项目组成员围绕计划书中预定的研究内容和目标，对量子关联和量子纠缠的基本概念，特性，相互关联及区别进行了深入研究。我们的研究工作大致可以分为三类。在量子纠缠和量子关联的特性及其度量课题上，我们研究了①三体纠缠在光子晶体中的演化，发现满激发的三体纠缠在噪音环境中寿命相对比较短，而多体量子纠缠比两体量子纠缠更脆弱；各项同性光子晶体环境有利于量子纠缠消亡后的复活，这是光子晶体的记忆效应所致；②我们构造了可拓展的量子纠缠判据，我们从而能快速、高效地检测任意一个多体高维量子态有没有量子纠缠；③我们定义了一个量子关联的简易度量方案。这种度量方式计算简单，不需要用到任何复杂的优化手段，甚至可以为很多量子态给出解析的计算结果，对量子关联的理论研究提供了良好的研究工具。. 在量子关联和量子纠缠的应用方面，我们提出了一个量子对话方案，从理论上保证了对话的可靠性和安全性。我们讨论了四能级量子制冷循环中量子纠缠对制冷效率的影响；此外，我们探讨了量子涡旋态的特性及应用，分数纠缠变换和菲涅尔变换在量子纠缠和量子压缩问题中的应用等相关问题。. 最后，我们对光的量子特性的研究进行了深入研究。在讨论光的波粒二象性与量子不确定原理之间的关系时，我们创造性地引入了光子路径信息和波动信息的算符表示。对单光子系统而言，光的波粒二象性信息跟系统内的量子涨落有一个此消彼长的互补关系，它们的加和保持为一固定常数，这一结论已经得到了实验验证。我们接着把光的波粒二象性研究推广到高维情况，得出了一个适用于多光子甚至经典光的通用的高维波粒二象性关系，并通过了实验验证。我们还发现，傅里叶光谱可以用来追踪光子轨迹。. 本项目自2012年获得资助以来，圆满完成了项目申请书中的各项研究目标，并以此为基础有了一些新发现。我们从而对量子关联和量子纠缠的物理本质有了新的认识，对其在量子信息处理中的应用有了更深的理解。这些成果对量子关联和量子纠缠的实际应用具有积极的指导意义。相关的研究成果以12篇规范的科技论文的形式发表在各级别的SCI刊物上，其中4篇发表在Physical Review A上，1篇发表在Optics Express上，期刊Quantum Information Process和Laser Physics Letters上各1篇。