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量子纠缠在量子计算、量子通讯中扮演着举足轻重的角色。由于多体纠缠态的纠缠结构比两体纠缠态复杂,因此其制备难度远高于两体纠缠态。W态和GHZ态是两种不等价的多粒子纠缠态,它们之间无法仅通过局域操作和经典通信实现完美的相互转化。因此,如何利用现有的物理系统有效地实现多粒子纠缠态的制备是一个重要的研究课题。作为飞行比特的光子系统是实现量子通信的首选系统,因此我们将重点研究光学系统中多粒子纠缠态的制备。现有的光子耦合机制均基于分束器(BS),但BS一旦制作成功,其参数不能被修改,这就极大限制了基于BS的光子耦合机制的应用范围。因此,从根本上说,我们需要设计新的光子耦合机制。量子随机行走是经典随机行走在量子领域的推广,在光学量子行走中,具有正交偏振态的光子将分别行走到不同的位置。量子随机行走的这种从光子偏振自由度到空间位置自由度的控制特性使其具有耦合光子的可能。本论文拟借助量子行走的控制特性设计无需BS的光子耦合机制,并基于此设计制备多光子纠缠态的物理方案。本论文的主要成果如下:一、基于量子随机行走提出了三光子W态和四光子Cluster态的制备方案。该方案中各光子拥有独立的空间自由度。经过量子行走过程,处于不同偏振态的光子会进入不同位置的路径中,再经过适当的轨迹交换操作和后选择操作可以使光子演化到目标纠缠态。方案中光子间的耦合机制不依赖于BS,而是由更简单的光子轨迹交换操作代替,使得方案更简便易行。二、基于量子随机行走提出了简化版本的三光子W态和GHZ态以及四光子Cluster态的制备方案。该方案中所有光子共享同一空间自由度,相比于每个光子占有独立的空间自由度的制备方案,该简化版本的方案大大减少了光学器件的使用,进而大大降低了整个方案的实际误差。本方案无需辅助光子,光子的轨迹交换与后选择实现了光子在偏振自由度上的耦合。三、将三光子W态的制备方案进行扩展,提出了N光子W态的制备方案。从原理上说此方案可以扩展到无穷多光子W态的制备。经验算,光子数达到50个时,本方案仍具有理论上的可行性。