开放系统的量子通信研究

The developments and applications of modern quantum mechanics provide a new approach, quantum communication, for the secure transfer of secret information. The inevitable noises and losses of quantum channels counteract conversion of quantum communication from laboratory to practical applications, so it must be resolved. Applying the effective Hamiltonian method and the numerical solution method, the project intends to study the disadvantage effects of noises and losses on quantum channels in theory, solve motion equations of density matrix of open quantum systems, examine the dynamical evolution of classical correlation and quantum correlation. On one hand, some new methods are applied to explore and study decoherence-free subspace of some open quantum systems, and fault tolerant coding is employed to eliminate or weaken the adverse influence arising from noises and losses. On the other hand, the degree of freedom of quantum bits which is less susceptible to the effects of noises and losses (such as time, space, frequency, path, phase, etc.) can be used for information-encoding conversion to achieve the same targets. Furthermore, several tasks of quantum information processing such as quantum key distribution protocols and quantum secure communication schemes will be proposed, which should enhance the stability of the communication, improve the efficiency of communication, and enable these communication protocols to be appropriate for implementation with the currently available techniques and conditions. Completed this project, theoretical researches and practical applications of quantum communication could be largely promoted. Moreover, it will also develop and consummate discipline construction and talents training of university.

现代量子力学的发展和应用为信息的安全传送提供了一种全新的方法--量子通信。量子信道中不可避免的噪声和损耗是量子通信迈向实用化所必须解决的难题。本项目拟在理论上研究量子信道的噪声和损耗对量子通信的不利影响，应用开放系统的有效哈密顿量方法和数值求解的方法求解其密度矩阵的运动方程，考查经典关联与量子关联的动力学演化过程。一方面，可以寻找某些噪声模型的无消相干子空间，并探索可以寻找及控制无消相干子空间的新方法，应用容错码消除或削弱噪声的不利影响；另一方面，可以利用量子比特不易受噪声和损耗影响的自由度（时间、空间、频率、路径、相位等）进行信息编码转换，用以消除或削弱噪声和损耗的不利影响。同时，提出相应的量子信息处理方案。这些方案应能增强通信的稳定性，提高资源的使用效率，使通信更适宜于在现有的技术条件下得以实现。本项目将对量子通信的理论研究和实际应用起到一定的推动作用，也将培养科研队伍、促进学科建设。

量子信道中不可避免的噪声和损耗是量子通信迈向实用化所必须解决的难题。本项目在理论上研究量子信道的噪声和损耗对量子通信的不利影响，寻找可行、有效的处理噪声和损耗的方法。. 首先，为了克服类似于经典噪声的量子比特反转噪声信道中，我们提出了两个单光子态容错传送方案。第一个方案利用两光子非最大纠缠贝尔态的极化、空间纠缠模式之间的相互作用与转换，克服了噪声对单光子态传送的影响。第二个方案则基于量子隐形传态的思想和非破坏测量，实现了无噪声影响的单光子态传送。. 其次，在传送信息过程中，应用信息在极化自由度与不受环境噪声影响或所受影响较小的其它自由度(如时间自由度、频率自由度、空间自由度)之间转换的方法可以减弱环境噪声的影响。基于此思想，利用信息在极化纠缠模式和空间纠缠模式之间转换，我们提出了一个四光子真正极化纠缠态的纠缠分发方案。. 再次，借助纠缠相干态的纠缠交换，我们提出了一个连续变量量子密钥分发方案。方案采用的光子顺序重排技术能有效地检测窃听，保证密钥分发的安全性。随后我们分析了损耗信道中，退相干效应对密钥分发过程的影响。研究发现，在损耗信道中，密钥分发的出错率与退相干系数、相干态强度均有关。较小的退相干系数对应较小的出错率。不同于理想信道，损耗信道中的量子密钥分发方案的出错率随相干态强度的增加而迅速地增加。因此在损耗信道中执行本量子密钥分发方案时，相干态应选择适宜的强度。. 最后，我们研究了退相干自由子空间的编码方法。借助弱交叉克尔非线性和线性光学元件构建的空间纠缠门和极化纠缠门，我们建立了最小的光学退相干自由子系统及制备最小退相干自由子系统中的任意逻辑量子比特。. 以上方案提高了通信的信度和效率，简单的线性光学元件和成熟的经典反馈技术的采用，使量子通信更易于实现。另外，本项目将对量子通信的理论研究和实际应用起到一定的推动作用，也将促进学校的学科建设的发展和人才培养体制的完善。