噪声道下量子逻辑门的非局域实现

Quantum logic gate (QLG) is a fundamental operation unit, and the basis of the implementation of quantum computers and the construction of quantum nets. Since it plays an important role in quantum information processing. Due to the crossing interaction among the microscopic subsystems and the effect of quantum decoherence, it is difficult to perform large-scale quantum computation. After that, the concept, distribution quantum computation (CQC), is presented. A basic task on setting up CQC readily is the remote implementation of QLG. Our study concerns on the the nonlocal implementation of some conventional gates (such as Controlled-not, phase gate, swapping, Toffoli, Fredkin, and so on) under noisy environment, and the counterpart schemes based on concrete quantum systems. We will mainly make use of some useful methods as all-quantum theory, wave-packet collapse arising from quantum measurements and classical communication, investigate some conventional logic gates based on entanglement swap and quantum repeaters. Our results lay the foundation for quantum non-locality and the implementation of quantum computers and nets, and also provide the important theoretical support for the basic quantum computation study and the development of the technologies.

逻辑门是量子信息的基本操作单元，是实现量子计算机和构建量子网络的基础。因而在量子信息处理中起了至关重要的作用。由于微观子系统间的交叉相互作用和量子退相干的影响，大规模的量子计算很难实现。为此，人们提出了分布式量子计算的概念。而实现远程量子逻辑门是构建分布式量子计算的基本任务。本研究将围绕实现一些常用的逻辑门操作（如可控－非门、相位门、交换、Toffoli、Fredkin等门操作）展开探索，研究这些常见的二比特、三比特以及多比特门操作在噪声环境下的非局域实现理论方案，和在具体物理系统的实现问题。我们将重点运用量子光学的全量子理论、量子测量引起的波包坍缩和经典通讯等研究方法，具体研究的是基于一些具体的量子系统，利用纠缠交换和量子中继器技术，进行常用逻辑门远程实现的研究。我们的研究结果，将为揭示量子的非局域性特性，实现量子计算机和构建量子网络奠定基础，为量子计算基础研究与技术的发展提供理论支持。

在为期一年的研究周期内，项目负责人及团队成员完成了有关本项目的内容概括如下：基于纠缠转移和量子中继器技术，提出一类任意多量子比特可控相位门的远程制备方案，此方案最大特点在于能够很好抑制逻辑门执行过程中错误概率随着信道的增长而呈指数下降的难题；另外，我们还研究了基于非最大纠缠量子信道和正定算子值测量的四量子比特Cluster类态的联合远程制备方案，给出了方案的成功概率和经典信息消耗，讨论了成功概率和雇佣信道之间的关联，找出了特殊系综态下制备的情形，制备的成功概率能够被大大提高；首次提出了多体-可控的联合远程态制备概念，同时我们提出了如何在多体可控框架下实现任意单粒子纯态和两粒子纯态的联合远程制备方案，分析了在全光学系统的实验科可行性；我们还基于三个独立腔提出一个高效制备三原子GHZ态的物理方案，我们方案的重要特点在于不需要进行任何的Bell态测量，能够根据光子探测器的结果以一定概率成功制备三原子GHZ态；研究和探索一类三粒子W态的量子特性，并揭示了在退相干存在的情况下量子失谐和量子纠缠的关系。总体来说，较好完成了预期的目标。