噪损情况下单量子态处理与应用中的若干理论问题研究

We are going to investigate the quantum information processing under the situation of loss, noise, and other imperfections, including the improvement of protection efficiency of quantum states, quantum state maniputaition and related essential theoritical issues.The main goal of this proposal contains the following tasks: i)we will investigate the heralded manipulation of quantum state, including the heralded detection, state mapping between photon and atom, and heralded quantum memory and quantum gate. Furture more, we will study its potential application in the private communication. ii)we will study the protection of quantum state and quantum entanglement from noisy channels based on weak meaurement and measurement reversal from therotical and experimental respectives. iii)we will investigate the measurement-device-independent quantum key distribution with practical sources .

研究噪声信源，噪声通道和损耗通道下的有效量子态保护、操控以及在量子通信应用中的若干关键理论问题。其中包括基于原子系统的指示型光源与指示型量子态操控理论，研究如何实现指示型单光子检测，指示型量子存储和量子操作以及在量子保密通信中的可能应用；噪声通道下的量子态保护，恢复与应用，研究基于弱测量的量子态恢复的理论与实验方法，结合动力学解耦与弱测量的量子态保护与恢复，以及它们在量子保密通信中的可能应用；基于非理想信源的与仪器无关的安全量子保密通信。

通过微观物体的量子行为来进行信息处理的量子信息和量子计算以及量子密码学是近年来的热门领域。这些方向的发展都依赖于对单量子态以及纠缠态的精确操控。但真实情况中，量子体系中总是存在噪声以及损耗，它们会导致以往大量的基于理论上完美的无噪声环境的单量子态操控理论在实际中面临各种困境，因此研究在噪损条件下的单量子态的处理和保护问题具有重大意义。.我们于2015年提出了基于联合约束和全局优化以及含真空部分统一处理的测量设备无关量子密钥分发（MDIQKD）的优化协议，将成码率提高了数倍甚至数十倍。在此基础上，我们考虑光源存在缺陷时的安全成码公式，解决了光源涨落带来的安全性漏洞。但考虑到光源涨落会极大的降低成码率，我们考虑了一种光源涨落存在关联的系统，它可以大幅度提高有光源涨落时的成码率。另外，由于实际中不存在实用的真空源，我们还提出了一种不含真空源的协议，使得MDIQKD协议更具实用化。我们提出了一种可以容忍大校准误差的称为“发或不发（sending or not sending）TF-QKD”的新协议，数值结果所示，即使单光子干涉校准误码率高达15％，25％，35％或45％，该协议也能得到超过700 km，600 km，500 km或300 km的安全距离。.我们研究了高效的指示型量子操控，最终提出了利用多个原子系统来实现指示型的量子纠缠，这一点对于最终提高量子通信的实用性有着相当的意义。我们深入探索了非平衡的量子点系统与光机械振子的快速冷却，均相比以往的成果提高了效率和实用性。此外，我们研究了非绝热近似下短脉冲的量子存储问题，并提出了实验上易于实现的高效存储方案。我们研究了非马尔科夫近似下基于原子和腔相互作用的量子控制相位门的实现，我们发现当环境为洛伦兹谱时，总可以实现一个理想的量子控制相位门。.我们研究了腔系统中腔对光子的阻塞效应(photon blockade)，使得输出脉冲里单光子的比例远大于平常使用的弱相干光源，通过数值模拟，我们发现以这个腔系统作为光源来进行量子密钥分发，得到的成码率远高于使用弱相干光源的情况。