高二物理競(jìng)賽量子通信原理課件

量子通信原理講座提綱21.量子通信的基本原理1.1“量子”的概念：主要介紹量子理論的基本概念1.2鬼魅的量子糾纏：主要介紹量子糾纏的現(xiàn)象及歷史1.3通信中的量子信號(hào)：主要介紹利用量子態(tài)進(jìn)行通信編碼、解碼的原理1.4量子通信協(xié)議：主要介紹核心的單光子、糾纏光子量子通信協(xié)議及原理2.量子通信的設(shè)備介紹信號(hào)源與探測(cè)器：介紹量子通信的單光子信號(hào)發(fā)射器及探測(cè)器長(zhǎng)距離量子通信的瓶頸及解決方案：介紹量子通信中的噪聲及中繼問(wèn)題3.量子通信的實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展量子通信的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：介紹最早市場(chǎng)化的即插即用量子通信系統(tǒng)空間量子通信系統(tǒng)：介紹空間量子通信中捕獲跟蹤系統(tǒng)等技術(shù)量子通信市場(chǎng)及產(chǎn)品介紹4.總結(jié)與展望“量子”的概念3物體吸收或發(fā)射電磁輻射只能以量子的方式進(jìn)行,每個(gè)量子的能量為ε=hν,稱(chēng)為作用量子IthinkIcansafelysaythatnobodyunderstandsquantummechanics.

------RichardFeynmanAnyonewhoisnotshockedbyquantumtheoryhasnotunderstoodit.

--------NielsBohr4Moore定律的物理極限5Moore定律:每經(jīng)過(guò)18個(gè)月,CPU速度加倍，單位

面積上集成的晶體管數(shù)目加倍量子計(jì)算：計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史必然？量子力學(xué)6SternGerlachExperiment(1922)量子力學(xué)的態(tài)、力學(xué)量7原子核的自旋，電子自旋，光子的偏振……核自旋由一個(gè)波函數(shù)表示|〉力學(xué)量由一個(gè)厄米算符表示（厄米矩陣）量子力學(xué)測(cè)量值只能是本征值8對(duì)自旋的三個(gè)分量進(jìn)行測(cè)量得到的結(jié)果只能是±核自旋的狀態(tài)可以是疊加態(tài)9zx無(wú)論測(cè)量多么仔細(xì)，量子測(cè)量的結(jié)果使得體系的狀態(tài)發(fā)生改變。只有在體系處在被測(cè)量量的本征態(tài)時(shí)，測(cè)量才不會(huì)改變波函數(shù)。zxzxxz測(cè)量得到±z的幾率|c±|2測(cè)量后體系狀態(tài)發(fā)生改變，塌縮到本征態(tài)10測(cè)量結(jié)果為+z量子體系的狀態(tài)的時(shí)間演化遵從Schrodinger方程量子計(jì)算的過(guò)程是開(kāi)啟不同的H,完成量子計(jì)算量子比特--QuantumBit(Qubit)量子比特的數(shù)學(xué)描述-TheSpinDensityMatrixIWEPNM2007,KirchbergSuperpositionPopulationPhaseXPhaseYTheSingleQubitBasis:ororxyzBlochsphereSinglequbitoperationsXXYZYZNOT?See:QuantumComputationandQuantumInformationM.A.NielsenandI.Chuang,CambridgeUniversityPress2000MoreSingleQubitGatesjjSTHHadamardHHHHArrayofQuantumDotswithSpinsSinglespininQ-dotDanielLossproposalF.H.L.Koppenset.al.Nature,442,766(2006)OtherQubits:Atomsandionsintraps,photons,Q-dots,superconductorsPhotonsasflyingqubitsQalgorithmSuperconductingqubit:Nakamuraetal.Spinechowithsc-qubitBennet,Zeilinger,Zoller,Weinfurteretal.TwolevelsystemFictitiousspin1/2Iontraps:J.I.CiracandP.Zoller,Phys.Rev.Lett.74,4091(1995)TwoQubitsBasis:Bellstates(entangledstates):

productstate薛定諤貓的理論與實(shí)驗(yàn)量子退相干Nature427,711-714(2004)薛定諤想要借此闡述的物理問(wèn)題是：宏觀世界是否也遵從適用于微觀尺度的量子疊加原理?！把Χㄖ@貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯(lián)系起來(lái)，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態(tài)。隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家已先后通過(guò)各種方案獲得了宏觀量子疊加態(tài)。此前，科學(xué)家最多使４個(gè)離子或５個(gè)光子達(dá)到“薛定諤貓”態(tài)。但如何使更多粒子構(gòu)成的系統(tǒng)達(dá)到這種狀態(tài)并保存更長(zhǎng)時(shí)間，已成為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)。19量子糾纏態(tài)Bohm的簡(jiǎn)化表述20t=0-21t>T隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)被證實(shí)量子糾纏態(tài)TheGreekLAOCOON--量子糾纏22HHadamardUCNOTTheEPRPairEinstein,PodolskyandRosen,Phys.Rev.47,777(1935)TwoQubitGatesControlledNOT(CNOT)xCNOTHowtogenerateanentangledstatexCNOTH兩比特算法-密集編碼Superdensecoding:AliceBobAliceisallowedtosendonlyasinglequbit.Canshetransmitoneoffourdifferentbitsofinformation?SupposeAliceandBobsharetheentangledstate:Aliceperformsoneofthefollowingsinglequbitoperationsonherqubit:AlicesendsherqubittoBob.BobperformsaBellsta