基于退相干自由子空间的光学量子线路及其应用

Due to the openness, a quantum system interacts with environment when it fulfills some tasks of quantum information processing. The unwanted interaction will accelerate quantum decoherence, and destroy the advantages of quantum information processing such as paralleling quantum computation and quantum secure communication. So how to protect quantum coherence and finish the tasks of quantum information processing undergoing the quantum decoherence becomes currently one of the important hot topics in the field of quantum information. Employing optical cross-Kerr nonlinearities, applying the suitable physical systems and measurement methods, and optimizing quantum circuits, this project intends to propose the schemes to build decoherence-free subspaces and complete the tasks of decoherence-free quantum information processing. Under the condition of decoherence, integrating the merits of degrees of freedom and evading their inconvenience, the project aims to prepare the decoherence-free states, and thus build the decoherence-free subspaces. Considering the decoherence effects resulted from environment, the project searches the methods to enhance the fidelity of quantum logic gates and to construct the optimal quantum logic gates. Exploiting the conversion of degrees of freedom of photons, the project attempts to overcome or alleviate the interference and damage stepping from the open environment which occurred in the process of entanglement distribution and transmission of quantum states. Furthermore, the project tries to present the schemes of distributed quantum information processing with high efficiency, and thus establish the basis of realizing the scalable photonic quantum information processing mainly based on photons.

在执行量子信息处理任务时，量子系统存在一定的开放性，不可避免地与环境发生相互作用。不利的相互作用使系统加快退相干，破坏量子并行计算、量子安全通信等量子信息处理方案的优越性。因此，如何保护量子相干性，或者在退相干效应下如何完成量子信息处理任务是当今量子信息领域的重要热点课题之一。应用光学交叉克尔非线性，选取合适的物理系统与测量方法，合理优化线路布局，本项目拟提出退相干自由子空间的建立方案以及相关的量子信息处理方案。在退相干环境中，高效率整合多自由度优点，回避它们各自的缺点，制备退相干自由量子态，建立有效的退相干自由子空间；考虑环境对光子系统的作用所引发的退相干效应，研究提高量子逻辑门保真度的方法，构造最优的分布量子逻辑门；借助多个自由度的相互转换，克服或减弱开放环境诱导的退相干对量子态传送与分发的干扰破坏；提出高效率的分布量子信息处理方案，为实现可扩展的以光子为主体的量子信息处理奠定基础。

在执行量子信息处理任务时，量子系统存在一定的开放性，不可避免地与环境发生相互作用。不利的相互作用使系统退相干，破坏或减弱量子信息处理的优越性。因此，在退相干效应下如何完成量子信息处理任务是量子信息领域的重要热点课题之一。.应用光学交叉克尔非线性，可以使光子之间产生间接的相互作用。选取合适的物理系统与测量方法，可以简化量子线路，优化方案实现步骤。应用反馈操作，可以提高方案实现效率。应用实际操作性强的零拍差测量、线性光学元件，使得方案易于实现。应用基于双交叉克尔非线性或位移操作的光子数测量，可以有效降低方案的错误率。在应用以上方法的基础上，在退相干环境中，高效率整合多自由度优点，本项目提出了退相干自由子空间的建立方案以及相关的量子信息处理方案，具体方案如下：.针对环境所引发的退相干，我们研究了退相干自由态的制备，提出了四光子极化退相干自由态的制备方案。.借助多自由度的相互转换，克服或减弱开放环境诱导的退相干对量子逻辑门的干扰破坏，我们研究了高保真度量子逻辑门的构造，提出了单光子控制两光子非门的构造方案、单光子控制多光子幺正门的构造方案、空间自由度辅助极化Toffoli门的构造方案、空间与时间自由度辅助极化Toffoli门的构造方案、空间与时间自由度辅助极化多控一逻辑门的构造方案。.考虑其应用，我们研究了高效率量子信息处理方案，我们提出了控制延迟选择实验的光学实现方案、GHZ态的容错传输与基于宇称分析的控制确定安全量子通信的光学实现方案、基于完美W态的量子信息劈裂与量子信息获取方案。.此外，我们研究了里德堡原子系统的量子态的快速转化，Bell态、W态与三粒子单重态的快速制备，多腔纠缠态的制备，有原子介质参与或机械振子带电的条件下实现对电磁诱导透明现象的操控。.综上，我们完成了基于退相干自由子空间的光学量子线路及其应用的研究，以上研究成果为实现可扩展的以光子为主体的量子信息处理奠定了基础。

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