光量子信息科學(xué)簡介

1、光量子信息科學(xué)簡介譚天弈2016/6/23光通信材料研究所光通信材料研究所目錄目錄背景知識背景知識現(xiàn)狀與發(fā)展前景現(xiàn)狀與發(fā)展前景基本理論以及應(yīng)用基本理論以及應(yīng)用量子疊加態(tài)量子疊加態(tài)1背景知識背景知識量子態(tài)用量子態(tài)用dirac符號描述：符號描述：E1E2E3En.定態(tài)：定態(tài)：1E疊加態(tài)：疊加態(tài)：nEnEEppp.2121如果我們不對這個原子的能量進(jìn)行測量，那么這個原子如果我們不對這個原子的能量進(jìn)行測量，那么這個原子將同時處于這將同時處于這n個能量狀態(tài)上，簡單地說，就是個能量狀態(tài)上，簡單地說，就是分身成分身成了了n個能量不同的原子個能量不同的原子。手套例子手套例子1背景知識背景知識小明在星際旅行出發(fā)

2、前收到一小明在星際旅行出發(fā)前收到一個黑盒子，盒子里裝了一只手個黑盒子，盒子里裝了一只手套。用量子力學(xué)的觀點解釋，套。用量子力學(xué)的觀點解釋，在不打開盒子的情況下，盒子在不打開盒子的情況下，盒子中的手套處于如下狀態(tài)：中的手套處于如下狀態(tài)：rightleft21211、如果我們打開盒子會發(fā)生什么？、如果我們打開盒子會發(fā)生什么？2、手套和原子，到底有什么區(qū)別？、手套和原子，到底有什么區(qū)別？測量與量子坍縮測量與量子坍縮1背景知識背景知識小明打開盒子后，有一半的概率分別得到左手手套小明打開盒子后，有一半的概率分別得到左手手套和右手手套。隨后原來手套所處的和右手手套。隨后原來手套所處的變?yōu)樽優(yōu)?或或righ

3、tleft2121leftright同樣的，對于處于能量疊加態(tài)的原子，測量后也會同樣的，對于處于能量疊加態(tài)的原子，測量后也會坍縮到一個確定的能量。一般來說，測得基態(tài)的概坍縮到一個確定的能量。一般來說，測得基態(tài)的概率最大。率最大。這個過程即為這個過程即為光子偏振態(tài)的疊加光子偏振態(tài)的疊加對于一束對于一束45偏振的線偏振光，偏振的線偏振光，其中每一個光子的偏振態(tài)可以描其中每一個光子的偏振態(tài)可以描述為：述為：VH2121經(jīng)過檢偏器經(jīng)過檢偏器P（量子測量）后有一半光子坍縮到（量子測量）后有一半光子坍縮到 態(tài)，態(tài)，另一半光子坍縮到另一半光子坍縮到 態(tài)。最終會有一半光子通過檢偏器，態(tài)。最終會有一半光子通過檢

4、偏器，宏觀上表現(xiàn)為宏觀上表現(xiàn)為PHVHV對于單個光子，它處于水平偏振和垂直偏振的量子疊加態(tài)。對于單個光子，它處于水平偏振和垂直偏振的量子疊加態(tài)。而大量這樣光子的宏觀表現(xiàn)就是而大量這樣光子的宏觀表現(xiàn)就是45偏振光。而檢偏過程偏振光。而檢偏過程就是量子坍縮過程就是量子坍縮過程。1背景知識背景知識1背景知識背景知識量子糾纏量子糾纏小明和老王分別乘坐兩艘飛船向小明和老王分別乘坐兩艘飛船向半人馬座半人馬座星和星和M78星云進(jìn)發(fā)星云進(jìn)發(fā), ,出出發(fā)前分別收到了一個黑盒子發(fā)前分別收到了一個黑盒子, ,每個每個盒子中裝有一對手套中的一支。盒子中裝有一對手套中的一支。MWMWlrrl2121真正的量子信息載體不

5、可能是手套，真正的量子信息載體不可能是手套，那是什么呢？那是什么呢？1背景知識背景知識糾纏態(tài)的物理學(xué)定義糾纏態(tài)的物理學(xué)定義)1110(211BABA)1100(212BABABAA1)10(211可分離可分離不可分離態(tài)不可分離態(tài)糾纏態(tài)糾纏態(tài))0110(21)1100(21BABABABABell基基1背景知識背景知識量子信息載體量子信息載體物理實體物理實體屬性屬性離散光子偏振態(tài)水平偏振垂直偏振光子個數(shù)無光子單個光子光子間相位差/2連續(xù)光場正交振幅壓縮反壓縮正交位相壓縮反壓縮電子電子自旋自旋向上自旋向下原子核核自旋自旋向上自旋向下超導(dǎo)線路電流通量順時針電流逆時針電流量子點量子點自旋自旋向上自旋向

6、下01尹浩，韓陽尹浩，韓陽.量子通信原理與技術(shù)量子通信原理與技術(shù)M. 電電子工業(yè)出版社子工業(yè)出版社, 2013:46目錄目錄研究背景研究背景現(xiàn)狀與發(fā)展前景現(xiàn)狀與發(fā)展前景基本理論以及應(yīng)用基本理論以及應(yīng)用糾纏光子對的制備方法糾纏光子對的制備方法量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)2.1糾纏光子對的制備方法糾纏光子對的制備方法空間疊加式空間疊加式SPDCSPDCKwiat P G, Waks E, White A G, et al. Ultrabright source of polarization-entangled photonsJ. Physical Review A, 1999, 60(2): R77

7、3.Kwiat P G, Mattle K, Weinfurter H, et al. New high-intensity source of polarization-entangled photon pairsJ. Physical Review Letters, 1995, 75(24): 4337.SPDC：3212121212類類SPDC類類SPDC2.1糾纏光子對的制備方法糾纏光子對的制備方法改進(jìn)的改進(jìn)的類類SPDCSPDC利用利用M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)提高干涉儀結(jié)構(gòu)提高類類SPDC效率效率Kim Y H, Kulik S P, Shih Y. High-intensity pulse

8、d source of space-time and polarization double-entangled photon pairsJ. Physical Review A, 2000, 62(1): 011802.環(huán)式環(huán)式QPMQPM糾纏源糾纏源2.1糾纏光子對的制備方法糾纏光子對的制備方法許金時. 光子糾纏態(tài)制備, 應(yīng)用及演化的實驗研究D. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2009.基于波導(dǎo)的基于波導(dǎo)的SPDCSPDCZhong T, Wong F N, Roberts T D, et al. High performance photon-pair source based on a fibe

9、r-coupled periodically poled KTiOPO 4 waveguideJ. Optics express, 2009, 17(14): 12019-12030.效率更高，光纖結(jié)構(gòu)更易操控，波段可選在近效率更高，光纖結(jié)構(gòu)更易操控，波段可選在近紅外通訊波段，多用紅外通訊波段，多用PPLN,PPKTP2.1糾纏光子對的制備方法糾纏光子對的制備方法符合測量和符合測量和HOMHOM干涉干涉2.1糾纏光子對的制備方法糾纏光子對的制備方法符合測量基于糾纏符合測量基于糾纏光子的同時性光子的同時性)(2)(21)(21ddcciciddicbaBSSFWMSFWM糾纏源糾纏源2.1糾纏光

10、子對的制備方法糾纏光子對的制備方法sip2為了抑制拉曼效應(yīng)，通常將零色散波長在泵浦波長附近的色散位移光纖(DSF)放置在液氮中進(jìn)行冷卻另外因為斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率與泵浦光的頻率相近，故通常利用精細(xì)空間光柵進(jìn)行濾波Li X, Voss P L, Sharping J E, et al. Optical-fiber source of polarization-entangled photons in the 1550 nm telecom bandJ. Physical Review Letters, 2005, 94(5): 053601.2.2 量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài) BSM：B

11、ell state measurement SPS：single photon source EPPS: entangled photon pair source111VH)(21323223VVHH)()()()(213312331233123312123VHVHVHVH完全保密傳遞信息的原理完全保密傳遞信息的原理Zukowski M, Zeilinger A, Horne M A, et al. Event-ready-detectors Bell experiment via entanglement swappingJ. Physical Review Letters, 1993, 7

12、1(26): 4287-4290.26目錄目錄研究背景研究背景方案介紹方案介紹結(jié)結(jié) 論論3 結(jié)論結(jié)論量子信息學(xué)利用微觀粒子作為載體，憑借量子力學(xué)所特有的不同于宏觀世界物理規(guī)律的一些特殊性質(zhì)，可以完成一些經(jīng)典計算和經(jīng)典通信難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的功能。如量子計算(quantum computation)利用量子力學(xué)的基本原理使得其運算能力遠(yuǎn)超于經(jīng)典計算機，其使用的量子比特(qubit)可以處于”0”和”1”的任意疊加態(tài)上，因此其計算耗費時間只隨計算復(fù)雜程度呈多項式上升，而不是經(jīng)典計算機中的呈指數(shù)上升；同樣因為量子比特的疊加特性，量子存儲(quantum memory)憑借其驚人的存儲容量也引起了廣泛的關(guān)注；隨著量子計算的發(fā)展，傳統(tǒng)的基于質(zhì)因子分解RSA加密技術(shù)已經(jīng)不能保證絕對安全，基于量子計算機的Shor量子算法可以輕易的破解這種密碼，因此量子密碼學(xué)也成為一門亟待研究的學(xué)科，其中相對成熟的量子密鑰