基于腔量子電動力學(xué)技術(shù)的遠(yuǎn)程制備兩原子糾纏態(tài)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及量子信息、通信網(wǎng)絡(luò)、新型光通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明設(shè)及 一種基于腔量子電動力學(xué)技術(shù)的遠(yuǎn)程制備兩原子糾纏態(tài)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子通信是近年來興起的一種新型通信方式。通過將信息編碼于具有量子特性的 物理系統(tǒng)，利用系統(tǒng)狀態(tài)的量子特性，例如量子糾纏、測量塌縮、量子態(tài)不可克隆等，使得量 子通信過程較經(jīng)典通信更加的安全，高效，抗干擾。目前人們提出了各種有意思的量子通信 方案，例如量子隱形傳態(tài)，量子秘鑰分配，遠(yuǎn)程態(tài)制備，量子秘密共享等。運些通信方案可W 在光學(xué)系統(tǒng)、核磁共振系統(tǒng)、量子點系統(tǒng)、腔電動力學(xué)系統(tǒng)等物理系統(tǒng)中實現(xiàn)。
[0003] 在運些系統(tǒng)中，腔犯D(quantum elechodynamics，量子電動力學(xué)）系統(tǒng)得到了更 多的關(guān)注，因為一般來說人們普遍認(rèn)為原子是比較理想的信息存儲器，光子是信息交換的 媒介，而腔恰恰為原子和光子的相互作用提供了一個良好的平臺?？紤]到腔犯D獨有的優(yōu) 勢，人們開始在理論和實驗上研究如何在該體系中實現(xiàn)各種量子信息過程[1]-[11]。但是 對于量子通信領(lǐng)域中的一個新興的發(fā)展方向一一遠(yuǎn)程態(tài)制備，在W往的工作中卻設(shè)及不多
[12]-[15]〇
[0004] 假設(shè)在某些信息處理過程之后，例如，在一次量子秘密共享之后，描述一個秘密量 子比特內(nèi)容的經(jīng)典信息被拆分并分布于量子網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點。也就是說，每一個節(jié)點只掌 握了秘密量子比特態(tài)的一部分信息;沒有任何一個節(jié)點擁有運個秘密量子比特的全部的信 息，可W獨立地恢復(fù)秘密量子比特的信息?，F(xiàn)在的問題是如何能夠在一個新的節(jié)點重建秘 密信息。為此提出了多方聯(lián)合遠(yuǎn)程制備量子態(tài)的方法[1]-[11]。運些方法分別利用了不同 的量子糾纏態(tài)作為量子信息的傳輸通道，完成對不同類型的量子比特態(tài)的聯(lián)合遠(yuǎn)程制備任 務(wù)。但是，運些研究工作僅僅從數(shù)學(xué)的層面提出了對量子比特態(tài)進(jìn)行多方聯(lián)合遠(yuǎn)程制備的 方法，而沒有針對具體的物理系統(tǒng)提出在實踐中具有可操作性的方案。少數(shù)的研究者提出 來的實驗方案[11][12]都是W單光子作為信息的載體，而單光子在實際的操作中往往很容 易受到環(huán)境的影響并煙滅。
[000引目前對于遠(yuǎn)程態(tài)制備的實驗方案，主要是在光子系統(tǒng)進(jìn)行探討。雖然光子傳輸速 度快，但是消相干時間短，在實際的物理環(huán)境中容易煙滅。并且，遠(yuǎn)程制備量子態(tài)的過程中 并不需要將信息的載體進(jìn)行傳輸，而是要對信息的載體進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌Ｓ纱丝梢?，光子?統(tǒng)并不是完成遠(yuǎn)程態(tài)制備的理想物理系統(tǒng)。此外，雖然有少數(shù)基于原子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)程態(tài)制 備實驗方案，但其中大部分的方案都僅限于一位發(fā)送者和一位接受者，而目前量子通信正 在向網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，通信協(xié)議需要考慮到有多位參與者的情況。
[0006] <參考文獻(xiàn)〉
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在上述缺陷，提供一種能夠從實 際的可操作性出發(fā)，提出由一個多方參與的，W兩能級原子作為信息的載體，利用兩能級原 子與經(jīng)典電磁場之間的相互作用，通過一個Ξ原子W型糾纏態(tài)和一個量原子糾纏態(tài)組成的 量子信息傳輸信道，完成對兩原子量子比特態(tài)的遠(yuǎn)程態(tài)制備的方法。
[0023] 為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種基于腔量子電動力學(xué)技術(shù)的遠(yuǎn) 程制備兩原子糾纏態(tài)的方法，其中一位發(fā)送者將協(xié)助兩位接收者中的一位建立I Φ >=曰 gg>+i3|ee>形式的兩原子糾纏態(tài)，其中|肖>和|6>分別表示兩能級原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)， 參數(shù)α和β為實數(shù)，且滿足條件α 2+護(hù)=1;發(fā)送者掌握著運個量子態(tài)的信息，兩位接收者不知 道量子態(tài)的信息；為了完成傳送信息的任務(wù)，發(fā)送者在其和兩位接收者之間建立起一個兩 原子糾纏態(tài)和一個Ξ原子W類糾纏態(tài)作為量子信道
[0026] 其中原子1和4屬于發(fā)送者，原子2和3分別屬于第一接收者和第二接收者，而原子5 交給最終的接收者。
[0027] 優(yōu)選地，所述的基于腔量子電動力學(xué)技術(shù)的遠(yuǎn)程制備兩原子糾纏態(tài)的方法包括：
[0028] 第一步驟，發(fā)送者預(yù)先制備一個單模腔Α，其中腔場的頻率與兩能級原子的躍遷頻 率之間的失諧量為δ，原子-腔禪合系數(shù)為ε;同時引入一個強(qiáng)經(jīng)典場驅(qū)動原子，經(jīng)典場的頻 率與原子躍遷頻率相同，經(jīng)典場的拉比頻率為Ω ;發(fā)送者設(shè)置各器件的參數(shù)滿足條件Ω > >δ>>ε，隨后將原子1和原子4注入單模腔Α，發(fā)送者根據(jù)所擁有的被傳送量子態(tài)的信息， 控制原子飛行時間τ，使其滿足條件
同時，調(diào)節(jié)經(jīng)典場的拉比頻率滿足條 件 Ω τ = π;
[0029] 第二步驟，完成第一步驟后，Ξ個原子所組成的系統(tǒng)的量子態(tài)將演化至如下形式：
[0030]
[0031] 此時，發(fā)送者分別對其所擁有的原子1和原子4進(jìn)行測量，判斷原子處于基態(tài)|g> 還是激發(fā)態(tài)|e>;
[0032] 第Ξ步驟，發(fā)送者在兩位接收者中選擇一位作為最終的接收者，將原子1和原子4 的測量結(jié)果通過經(jīng)典信道發(fā)送給第一發(fā)送者和第二發(fā)送者，并將原子5分配給最終的接收 者；
[0033] 第四步驟，另一位接收者對自己手中的原子進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果通過經(jīng)典信 道告知最終的接收者；
[0034] 第五步驟，最終的接收者根據(jù)來自發(fā)送者和另一位接收者的經(jīng)典信息，判斷是否 完成了遠(yuǎn)程態(tài)制備的任務(wù)。
[0035] 優(yōu)選地，第五步驟包括:如果另一位接收者的原子處于激發(fā)態(tài)I e>，則最終的接收 者不重建被傳送量子態(tài)。
[0036] 優(yōu)選地，第五步驟包括:如果另一位接收者的原子處于基態(tài)|g>，則最終的接收者 通過單原子操作，完成遠(yuǎn)程態(tài)制備的任務(wù)
[0037] 進(jìn)一步優(yōu)選地，若發(fā)送者的原子處于|ge>l，4或|eg>l，4態(tài)，則最終的接收者直 接得到被傳送量子態(tài)；
[0038] 若發(fā)送者的