基于低品质腔的多光子纠缠纯化

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二十世纪八十年代,伴随着量子力学和信息学相关理论的发展,产生了一门新的交叉学科-量子信息学。量子纠缠在量子信息学中处于核心地位,它是量子通信以及各种量子计算任务的重要资源。在长距离的量子通信过程中,纠缠系统将不可避免地受到外部环境的影响,将导致系统纠缠态发生退化,进而影响量子通信的质量。但是借助量子纠缠纯化,人们可以从发生退化的混合态系统中提取量子纯态,这就有利于我们更安全有效地实现量子信息转移。因此量子纠缠纯化的研究在量子信息学科中具有重要意义。众所周知,腔量子电动力学系统一直以来就是理解量子力学基本原理和研究量子信息处理的有效平台。但是我们发现,大多数基于腔量子电动力学系统的量子信息处理都要求发生相互作用的光学腔具有较高的品质,而且需要腔和受控的原子有着强耦合。然而在现行实验条件下,高品质的光学腔是很难获得的。因此,如何利用低品质腔来实现量子信息处理引起了人们的关注。  本研究基于以上原因,借助于一种低品质的光学腔,实现了一个光子系统的多体纠缠纯化方案。本文首先利用这种低品质的光学腔完成了光子Bell态的纠缠纯化。接着又提出了光子GHZ态的纠缠纯化方案。最后将这种纯化方法推广到了多光子系统中,从而实现了光子系统的多体纠缠纯化。整个纠缠纯化的过程可以分为两个部分:比特翻转错误的的纯化和相位翻转错误的纯化,方案通过这两个过程来纠正系统可能发生的所有错误。而且可以通过迭代这两个步骤,进而获得一些较高保真度的纠缠光子态。文章中仅利用了三能级的原子和低品质腔,还有一些基础光学元件完成了多光子的纠缠纯化。而这些装置的功能,在目前的腔量子电动力学中和量子光学技术下都是可以实现的。此外,人们在实验上已经实现了光学的法拉第旋转效应,从而进一步为该方案提供了当前实验可行性。
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