噪声环境下光量子态保真传输中的物理问题研究

本项目将对噪声环境下光量子态保真传输中的物理问题展开理论研究。研究基于线性光学元件和联合噪声信道下的光子偏振态保真传输新方法，探索光子纠缠态噪声传输后基于非线性光学与原子腔下的纯化处理问题。在光子偏振态保真传输上提出若干在实验上易操作的理论方案并应用于量子通信的若干分支，抑制噪声对量子通信安全和比特传输效率的影响；在量子态的纯化处理上寻找效率高、可循环、易实现的理论方案，并应用于量子中继器、远程量子通信与量子计算等量子信息处理中。通过这一研究，争取得到一些在光学上易实现的光量子态保真传输方法和一些高效的纯化处理方法，对远距离量子通信和远程量子计算研究有所帮助。

本项目紧密围绕噪声环境下光量子态保真传输中的物理问题开展相关的理论研究，取得了一些具有原创性的成果：(1) 我们首次提出了确定的纠缠纯化概念，建立了第一个确定的纠缠纯化物理模型-----两步确定纯化模型；进一步，我们建立了一步确定纯化模型和多粒子确定纠缠纯化模型，它们以完全确定的方式从一个纠缠系统中得到一个最大纠缠态，指数式地减少了纠缠纯化对量子资源的消耗。 (2) 建立了多光子优化纠缠浓缩模型和第一个单光子纠缠浓缩模型，它们的浓缩效率到达了理论极限。(3) 首次提出了光子超纠缠贝尔态分析方法，并讨论了其在量子离物传输和量子纠缠转移中的应用，成倍地提高了量子通信的信道容量。(4) 提出了第一个多光子纠缠纠错模型，这在多方远程量子通信中有很好的用途(国际审稿专家的评语)。(5) 提出了一个在联合噪声信道下高效的、自避错的、保真的、单光子传输方案，在简单线性光子元件与被动等待式测量下，就能让避错的效率到达93.75%以上，远大于借助辅助光子的光子态避错传输方案(此成功概率为1/16，见T. Yamamoto et al., Phys. Rev. Lett., 95, 040503 (2005))。另外，设计了利用频率纠缠完成光子极化纠缠的保真分发模型，大大地节省了量子通信中的纠缠资源。(6) 研究了退极化噪声信道对多光子量子系统的影响，发现二粒子量子系统的抗噪声能力随着系统纠缠度的增加而增加，而三体量子系统的抗噪声能力具有明显的剩余效应。. 在本项目的资助下，发表标注国家自然科学基金资助 (批准号：10974020；资助经费：27万) 的SCI收录的学术论文共23篇(含1篇已接收在印刷的论文)，其中在高水平的国际著名期刊 Physical Review A 上发表 9 篇，Optics Express 上发表 1 篇，Quantum Information and Computation上发表 2 篇。2011年获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学奖）一等奖 [龙桂鲁，邓富国，仝殿民，李岩松，王川，“量子通信与量子算法的物理基础研究”]。出版学术专著一部 [《量子力学新进展》第五辑，龙桂鲁，邓富国，曾谨言主编， 2011年11月由清华大学出版社出版]。超额完成了研究计划。