Cross-Kerr非线性在光量子信息处理中的应用研究

Quantum information science is an interdisciplinary subject which involves mathematics, physics, computer, and informatics. Quantum entanglement, as a powerful physical resource, is on the core of quantum information and bacomes an appealing issue due to its enchanting merits. Optical quantum information processing has been investigated quite extensively and deeply, in which, the interaction between the photons is induced by using a cross-Kerr nonlinear medium and makes the photons be entangled. On the one hand, the generation and measurement of quantum entangled states are the important research issues in the filed of quantum information processing . On the other hand, quantum logic gates is a fundamental element of quantum computation. It has been shown that a quantum computation network can be decomposed into a series of logic gates, and the one-qubit and two-qubit logic gates are universal for constructing a quantum computer. We will study the generation, analyzation of quantum entangled states and implementation of two-qubit logic gates with cross-Kerr nonlinearity, as well as analyzing the decoherence such as photon loss, phase noise effects on the process. Moreover, we will also discuss how to apply it to the concrete quantum communication, to find optimal quantum teleportation, quantum dense coding and quantum cloning protocols, and to implement feasible quantum network for these process in experminent.

量子信息学是一门关于数学、物理、计算机、信息学的交叉学科。量子纠缠作为一种基本的物理资源，是量子信息的核心，在量子信息处理的众多研究领域中起着重要作用。在以光子作为量子比特的物理系统中，借助于cross-Kerr非线性来实现光子之间的相互作用，使光子产生纠缠，从而实现量子信息处理的研究引起了广泛关注。一方面，有效地产生、测量量子纠缠态是量子信息处理领域中的一个重要任务。另一方面，量子逻辑门是实现量子计算的基本单元，尤其是单量子位逻辑门和两量子位逻辑门是构造量子计算机的通用门。本项目主要探讨利用cross-Kerr非线性进行量子纠缠态的产生、测量及两量子位逻辑门的构造，并分析消相干环境对这些过程的影响。进而将其应用于具体的量子通信过程，设计最优的量子隐形传态、量子密集编码、量子克隆等量子通信方案，为实验上实现提供一些具体的量子线路。

量子纠缠作为一种重要的物理资源，在量子信息处理中起着重要作用。在以光子作为量子比特的物理系统中，借助于cross-Kerr非线性来实现光子之间的相互作用，使光子产生纠缠，从而实现量子信息处理的研究引起了广泛关注。本项目主要研究了cross-Kerr非线性在光量子信息处理中的应用。第一，基于cross-Kerr非线性构造了量子态宇称检测门，进而提出了光子极化-空间-时间三个自由度的超纠缠Bell态的浓缩方案，设计了两步的极化-空间模-时间超纠缠纯化方案：第一步基于极化-空间模-时间宇称检测进行初步纯化，对部分检测结果引入一些量子态的交换门完成第二步的纯化，使得超纠缠纯化效率得到很大提高。第二，借助于时间和频率自由度的纠缠实现了光子极化自由度的Bell态的纯化，并将此方法推广到多光子多自由度GHZ态纯化的情况。本项目还研究了量子纠缠态的区分，利用非线性光学设计了光子极化-空间-时间三个自由度的超纠缠Bell态分析器，进而构造了三个自由度的GHZ态分析器。研究了利用超纠缠作为共享资源实现二自由度任意单光子态的远程制备，提出了一种在两个远节点之间远程制备任意单光子混合态的技术。这些研究成果对构建大规模、高容量的量子网络及实用化的远距离量子通信有着重要的意义和潜在的应用价值。