非高斯型连续变量量子系统的纠缠及退相干

Nonclassicality of light field plays an essential role in quantum information processing (QIP) and understanding the fundamental problems of quantum physics. It is an effective method to perform non-Gaussian operators (subtraction and addition) on quantum states with continuous variables (CVs), and non-Gaussian entangled states are more effective in QIP. In fact, the inevitable interaction with environments will destroy the quantum coherence, i.e., decoherence. In order to perform the effective QIP, it is expected for entanglement resources with higher entanglement degree, higher teleportation fidelity and more robustness against decoherence, especially for bringing entanglement to high temperature case. Our project, on one hand, is focused on the enhancement of entanglement by combining Gaussian and non-Gaussian operators on Gaussian states with CVs, and then investigates the evolution of nonclassicality and entanglement under usual environments by virtue of the IWOP technique. On the other hand, the entanglement properties of non-Gaussian states at high temperature shall be examined if the systems are not in thermal equilibrium. In addition, to overcome the decoherence induced by environments and to offer some specific proposals for this purpose, we shall further analyze the real physics systems and specific physics parameters. Our project shall offer reference for real scheme.

光场的非经典性在量子信息处理及理解量子物理的根本问题上起着关键性的作用。对连续变量高斯型量子态，非高斯操作(如光子增加或扣除)是获得高纠缠度的有效方法，故非高斯型量子纠缠态在量子信息处理中更为有效。同时，系统不可避免地与外界环境相互作用，这必然导致量子退相干。为有效实现量子信息处理，制备高纠缠度、高隐形传输保真度、强抗退相干能力的纠缠源是所期望的，尤其纠缠能在高温下得以长时保持。本项目将通过混合高斯和非高斯操作实现连续变量高斯态的非经典与纠缠性的改善，结合有序算符内的积分技术研究非高斯型量子态在若干常见退相干环境中的非经典特性及纠缠动力学演化; 并进一步考察非高斯型量子态在非平衡热环境下的非经典与纠缠特性；关注解决退相干问题的物理途径，特别是结合实验系统和物理参量做一些具体分析，以便为实验设计提供更有用的理论参考并寻找克服退相干的方法。以上研究期望推广到Fermi子和Bose子非线性系统。

量子物理学与其他学科的交叉融合带来了诸多学科的发展与应用。这些应用中，量子系统的非经典特性包括系统之间的关联，是实现量子相关任务的重要资源，一直以来都备受人们的关注。由于连续变量量子系统具有易于实现较高效率和精度的量子操控的特点，故成为了重要研究领域之一。但实验上的局限性限制了高非经典性、高纠缠量子态的获得。所以，为更好地实现量子信息与量子计算任务，人们期望通过其他方式制备出高纠缠度、高隐形传输保真度、强抗退相干能力的纠缠源等。. 对连续变量高斯型量子态，非高斯操作(如光子增加或扣除)是获得高纠缠度的有效方法，故非高斯型量子纠缠态在量子信息处理中更为有效。项目旨在结合有序算符内积分技术、利用非高斯操作实现连续变量高斯态的非经典与纠缠性的改善，并考察在若干常见退相干环境中的非经典特性及纠缠动力学演化以及在量子信息中的应用；研究内容包括理想与非理想情况下高斯与非高斯量子态等的性质及应用。. 对于连续变量高斯态，研究了单双模组合压缩态，寻找到纠缠改善与压缩改善的关系；基于传统隐形传输方案和高斯纠缠态，提出在实际环境下通过引入三个可调经典参数来改善量子隐形传输保真度方案；基于原子与场相互作用，提出了产生4模连续变量纠缠态的理论方案。在连续变量量子态的非高斯态化方面也取得了一些理论成果，如利用光子扣除、增加及其超叠加，光子扣除与局域幺正算符的结合，改善量子态的非经典性质，及其在环境中的抗退相干能力；利用线性器件(光束分离器)与条件测量等获得多项式激发量子态；讨论了包含环境的量子态在量子信息中的相关应用。在研究中，关注解决退相干问题的物理途径，特别是结合实验系统和物理参量做一些具体分析，以便为实验设计提供更有用的理论参考并寻找克服退相干的方法。研究表明非高斯操作(如光子增加或扣除、多项式激发非高斯态等)是获得高纠缠度、高隐形传输保真度、强抗退相干能力的有效途径。