在分布式量子计算与通信网络中研究量子纠缠态的制备

The project intends to design the process of preparing quantum entanglement in distributed quantum computing and communicating networks. With the advantages of quantum networks, completing the distribution of the entangled qubits in more than one node during the process of preparing quantum entanglement, will be convenient for the application of quantum entanglement in quantum computing and communication. Considering that the computing power of each node in the complex quantum networks may not be the same, this project will both design the process of preparing quantum entanglement by fully taking advantage of the computing power of each node, and distribute the entangled qubits differently to each node. In order to use of quantum computing and network resources efficiently, the project also intends to design the general method, which can prepare several quantum entangled state by using the same method. Entangled state is important resources in the quantum information science. Distributed quantum computing and quantum communication is the forefront of the development of this science. Therefore, the study of preparing quantum entanglement in the quantum computation and communication networks is of great significance.

本项目将研究分布式量子计算与通信网络中量子纠缠态的制备过程。利用量子网络的优点，在纠缠态制备的过程中同步实现纠缠量子比特在多个节点的分配，便于其在量子计算与通信中的应用。更考虑到复杂的量子网络中各节点计算能力不尽相同，将研究充分利用各节点计算能力来制备分布式量子纠缠态，并实现在各节点不对称地分配纠缠量子比特。为了高效地利用量子计算与网络资源，还将研究通用性设计方法，实现同一种设计制备多种量子纠缠态。纠缠态是量子信息学中重要的资源，分布式量子计算与量子通信是量子信息学发展的前沿，因此研究分布式量子计算与通信网络中量子纠缠态的制备有着重要的意义。

量子计算机相对经典计算机的具有显著优势，量子通信相对于经典通信在安全方面的也具有不可比拟的优势，这些都是量子信息学受到广泛关注的原因。不论是量子计算还是量子通信都是建立在量子行为的非经典性上。量子纠缠正好具有最强烈的非经典特性，从而成为量子计算和量子通信的资源。因此，量子纠缠态一直是量子信息学中的基础性研究。可扩展性是量子计算机发展的一个关键性问题，分布式量子计算是解决这一问题的有效手段之一，随着量子拓扑计算理论和量子通信理论的成熟，量子计算与通信网络在非局域和复杂量子计算中愈来愈显露出其重要性。在量子网络中研究量子纠缠态的制备，以及相关纠缠态的应用就成了亟需研究的问题。由于量子比特在传输过程中不可避免与环境发生相互作用，因而研究耗散通道中量子态演化也是非常重要的。基于以上背景，我们研究了在简单及复杂网络中实现量子纠缠态的操作，并从节约网络资源的角度研究通用性的设计，这样就以通过改变参数实现多种纠缠态的制备与分配，还可实现量子纠缠态在不同节点的非对称分布。针对量子态在耗散通道中的演化问题，研究了负二项式量子态在耗散通道中的演化机制，找到了演化后光场的光子数衰减规律；并针对在实验中具有很好的操控性和应用价值的简并参量放大器光场态，研究其在耗散通道中的演化规律，并通过数值模拟计算出光子数的演化规律。并进一步研究在消相干环境中多体纠缠态的保护操作，初步得出了局域滤波操作和量子翻转操作可以保护多体纠缠态。与量子纠缠一样，量子失谐同样具有非经典特性，并且可以用于量子计算。因此项目也对相关研究给予了支持，利用可行的量子操作增强开放系统中非纠缠量子比特的量子关联。分布式纠缠态的研究，对量子计算和量子信息安全传输有着重要的意义；量子态在耗散通道中演化机制、消相干环境中量子纠缠态的保护研究对量子信息在分布式网络中有效分配及实际的应用有重要参考价值；利用可行的量子操作增强开放系统中量子关联对量子计算基础理论的发展同样具有重要意义。