量子关联的性质及其在量子信息处理过程中的作用

Quantum entanglement is an important physical resource in quantum information processing tasks (QIPT), but entanglement cannot characterize all the quantumness of the correlation in a quantum system. It is found that quantum discord not only includes quantum entanglement but also goes beyond it. Recently, it has been pointed out that the QIPT without entanglement could be related to quantum discord, which might motiviate our interests on quantum correlation to some extent. However,the role of quantum discord in QIPT has not been agreed on. In this project, we mainly plan to study the role of quantum correlation in QIPT. Firstly, we are going to study the quantum correlation in some existing QIPT especially in the quantum computing, and then redefine the quantification of quantum entanglement and quantum correlation based on different tasks; Secondly, we are going to study the properties of the usual and the redefined quantum correlations and the potential relations between them; Thirdly, based on the properties of such correlations, we intend to seek for some new QIPT that can effectively use these mentioned quantum correlation; Finally, in order to deeply understand the role of quantum correlation in quantum computing, we need to study the complexity of quantum algorithm compared with that of the corresponding classical algorithm.

量子纠缠是量子信息处理中的重要物理资源，然而，量子纠缠并不能刻画量子体系关联的全部量子性。人们发现量子discord对量子关联的描述不但涵盖了量子纠缠而且不局限于纠缠。最近，一些人指出某些不存在纠缠的量子信息处理任务可能与量子discord存在某种联系，从某种意义上激发了人们对量子关联研究热情。但是，量子discord在量子信息任务中的作用仍未达成一致。我们这个项目主要就是研究量子关联在量子信息处理中的作用。我们欲首先研究现存的一些量子信息处理任务尤其是量子计算中的量子关联，且根据不同任务特点，重新定义新的量子纠缠和量子关联的量化方法；其次研究通常的量子关联以及这些新定义的量子关联的性质以及他们之间可能的联系；然后根据这些关联的性质，寻求有效利用这些关联的新的量子信息任务；最后，为了更深入理解量子关联在量子计算中的作用，我们还需要适当地对比经典算法的复杂度，对比地研究量子算法的复杂度。

量子关联是量子系统一个重要的量子特性，是量子信息处理任务中的重要物理资源。本项目主要针对量子关联度量、在量子信息过程中的作用以及其性质三方面开展研究。取得的主要成果如下：.将discord推广到高维量子体系，并给出测量诱导非局域性新的定义，解决几何 discord不紧缩问题。研究了超discord,修正了传统定义的错误，给出其正确的解释。发现量子克隆过程中，discord与克隆的关键参数没有必然的联系；在 DQC1过程中，发现discord不是必须的，但总相干性与之有着密切联系。 发现光子统计与原子局域纠缠的极大值一一对应，光子的阻塞也可与原子的相干性对应起来。发现几何量子discord本质上就是不同情况下子系统的某种相干性。 而限制复合系统测量诱导相干性的是系统中的经典关联而不是量子关联。 提出了一种可以直接测量的三体高维量子纯态真正三体纠缠的实验方案。提出skew信息的相干性度量，解决了skew信息在相干性度量上的非单调性的问题，并给出了实验上直接可测量的方案和相干性在多体量子体系中的分布关系；提出了基于Tsallis熵的相干性度量；给出了总相干性的定义，从资源理论的角度上给出了总相干性的可操作的意义。. 通过Renyi熵、相对熵提出了顺序测量的测量-扰动不确定关系；给出多个可观测量的海森堡不确定关系；通过态叠加原理给出了含有自由参量的海森堡不确定关系。研究了强内部耦合情况下冰箱的热力学行为，发现单纯增强内部耦合对冰箱的效率起负面作用; 但是通过库操作可以提升冰箱的制冷效率及工作区间。研究光力系统光子完美吸收及原子在光力诱导透明中对透明窗口个数的影响。 研究库压缩对量子测量精度的影响等等。. 在项目资助期间，共发表与项目密切联系的论文39篇， 一个参与项目获得吉林省科学技术一等奖。共培养硕、博士研究生5名，参加国外学术交流两次，国内学术会议20余次。总之不但以丰硕的成果圆满地完成了项目预期的各个目标，而且在相关领域也取得了许多有意义科研成果。