基于原子系综的高维量子信息及其在量子计算中的应用研究

Multidimensional quantum system (MQS) has been attracted much attention in recent years in the filed of quantum information. Comparing with two-state quantum system, MQS has shown potential advantage in fundamental research of quantum mechanics and application in quantum communication due to the large information capacity and strong interference free performance of QMS. Recent research of MQS mainly focuses on linear optical system due to its feature and complexity. Our proposal aims to realize the efficiently exchange of multidimensional orbital angular momentum (MOAM) from photon to atom and photon to photon by using the property of excellent coherent manipulation between light and atomic ensemble. The nonlinear four-wave mixing processing is utilized to implement such experiment. Moreover, we would produce a set of feasible quantum logic gates and demonstrate a quantum algorithm, e.g., Deutsch's algorithm, based on the quantum encoding of MOAM. The further extension study of this proposal is to explore a way to realize the multidimensional quantum entanglement based on the atomic ensemble. Our study may provide a strong theoretical and experimental support for the application of multidimensional quantum information in quantum communication and quantum computation.

高维量子体系近年来在量子信息研究领域引起人们的极大关注。相对于两态量 子体系，高维量子体系由于其信息携带量大、抗噪能力强，在量子力学基础研究和量子通信 领域展现出潜在的优势和应用价值。鉴于高维量子体系自身的特点及其复杂性，目前高维量 子体系的研究大多集中在线性光学量子系统中。本项目旨在利用光子与原子系综间良好的量 子相干操控特性，通过光子与原子系综的四波混频非线性作用过程，实现光子与原子、光子 与光子间高维轨道角动量的有效转换，并对光子高维角动量进行量子编码，实验上形成一套 易于控制的量子逻辑门用于实现一种量子算法-Deutsch 算法，本项目同时探索实现基于原子系综的高维量子纠缠，为高维量子信息在量子通信和量子计算中的应用提供理论和实验支 持。

高维量子体系近年来在量子信息研究领域引起人们的极大关注。相对于两态量子体系，高维量子体系由于其信息携带量大、抗噪能力强，在量子力学基础研究和量子通信.领域展现出潜在的优势和应用价值。项目围绕"基于原子系综的高维量子信息及其在量子计算中的应用研究”展开研究，在高维量子信息方面，实现了基于原子四波混频作用高维态CNOT逻辑门的实验演示，在线性光学系统中实现了一种新的量子加速算法——量子排序算法(Quantum permutation algorithm)；在非经典光子的产生和纠缠方面，实现了一种基于热原子系综的方便、有效的关联光子对产生途径；在高维光学空间模式操控方面，实现了利用原子介质的相干作用、磁场法拉第偏振旋转效应、以及偏振选择光泵浦效应对高维光学空间模式的操控。上述研究结果为基于原子系综的高维量子信息处理和量子计算奠定了一定的理论和实验基础。