多體量子糾纏與量子信息網路研究

《多體量子糾纏與量子信息網路研究》是依託北京大學，由何瓊毅擔任負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多體量子糾纏與量子信息網路研究
• 項目負責人：何瓊毅
• 項目類別：面上項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

量子網路是指由量子傳輸通道和量子節點組成的複雜信息網路，它利用量子糾纏作為資源，遵循量子力學規律進行信息的運算、存儲及傳輸。目前，基於兩體糾纏的量子信息在理論和實驗上都取得了豐碩的成果。隨著實驗成功製備多光子和多模光場糾纏態，多體糾纏已經成為一種重要資源，且在量子信息處理中有新的套用。申請人最近給出了一類具有EPR非定域性的真正多體糾纏的存在判據，利用該資源可以實現更安全、具有指向性的多方量子秘密共享方案。多體量子糾纏具有比兩體糾纏更加豐富的糾纏結構和更為複雜的性質，在定性和定量的研究上都還處於探索階段。本項目聚焦多體量子糾纏，針對多模連續變數光場以及冷原子與腔光力學雜化量子系統，採用超越平均場近似的方法，深入研究多體糾纏、特別是具有EPR非定域性的多體糾纏的判定、分類及度量問題，刻畫熱環境下多體量子系統的糾纏動力學行為，緊密結合實驗，力爭解釋實驗結果，並輔助實驗設計多用戶量子信息網路。

結題摘要

量子糾纏不僅是量子力學中一個基本概念，也被認為是量子通信、量子計算、量子密碼和量子精密測量等技術的重要資源。隨著體系粒子數目的增加和單個粒子維度的升高，量子糾纏結構和形式的複雜性會迅速增長，近年來多體高維量子糾纏態的製備、調控、特性，以及套用研究逐漸成為量子物理和量子信息領域的科學前沿問題。相比雙光子量子比特糾纏，多體高維糾纏態在高速運算、增大信息容量、確保信息安全等量子計算和量子通信方面具有獨特優勢。同時，它在量子力學的一些基本問題研究方面也有非常重要的套用。本項目聚焦多體量子糾纏與量子信息網路的研究，通過4年努力，項目取得了一系列創新性研究成果，已發表受基金標註的研究論文19篇（另有4篇arxiv線上）其中PRL 4篇，Physical Review系列等15篇。主要成果如下: （1）針對實驗廣泛套用的雙模高斯態，給出了不同類別量子關聯的統一實驗判定依 據和度量標準，為後續實驗檢測提供了簡單有效依據；進一步給出了連續變數的量子隱形傳態與EPR steering 之間存在一定的聯繫，證明雙向量子導引是實現不可克隆量子隱形傳態的的必要條件。 （2）給出了多模高斯態系統量子導引的單配性約束關係，以及量子導引能力與量子秘密共享成碼率之間的依賴關係；進而與山西大學實驗組合作，利用光學系統製備的四模式簇態對高斯導引的多種單配性進行了實驗檢驗。由多方共享的量子引導關聯作為保密通信的安全基礎，原則上可以抵禦信息傳輸過程中的任何黑客攻擊，為未來構建多方量子通信網路提供前所未有的安全保證。 （3）針對包含光場、振子、原子系綜的複合腔光機械系統，研究了體系量子態的三體糾纏結構和特性；玻色氣體在光腔發生超輻射相變之後原子系統的穩態糾纏；提出了通過將具有等效正負質量的原子系綜和薄膜與單向傳輸的光場進行串聯耦合，通過相干噪聲消除實現巨觀物體之間無條件穩態糾纏的理論方案，可以達到條件糾纏的同等強度，為量子信息技術提供即時可用的糾纏資源。