[转] 走近量子纠缠(19-大结局)——量子隐形传输(二)
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上图中的图a表示:一个光子入射到分光器,或者反射,或者透射,概率各半。
现在考虑两个光子和,分别从左右两边入射到分光器。当两光子同时抵达分光器时,两光子之波包相互重叠,因而产生干涉效应。它们经过分光器后有四种情形:1,反射、透射;2,透射、
反射;3,反射、反射;4,透射、透射。第一种情形,两个输出光子同时射向左边,如图b所示。情形2时,两个光子同时射向右边,如图c所示。但是,我们无法区别第三和第四这两种情形,因为光子是不可区分的。我们不知道,从分光器射出的光子,哪个来自?哪个来自?所以,在3和4这两种情形下,都是一个光子向左,一个光子向右,如图d所示。
在此还必须说明一点:仅仅利用线性光学器件,不可能在实验中区分4个贝尔态。理论上已经证明,最多只可能区别4个贝尔态中的3个。所以,也就是说,如果只用线性元件,我们就只能作"不完全的贝尔测量"。在上面的公式(19.2-19.5)所表示的4个贝尔态中,|y-> =|10>-|01>是一个反对称的单态,另外的|f+>、|f->和|y+>则构成对称的三态。利用刚才所介绍的半透半反分光器,可以将贝尔单态|y->,与其它贝尔态分开来。
2014年06月22日 04点06分 1
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量子隐形传态实验过程的简化原理图如下所示:
2014年06月22日 04点06分 3
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图中心纠缠光源发出的孪生光子A和B 分别传送给Alice和Bob。 Alice 处有半透半反分光器BS等,对以及准备隐形传态的光子X,作刚才我们所描述的"同时符合"贝尔测量,将测量的结果:"符合"或"不符合",通过经典通道,比如微波天线,发射给远在另一端(多瑙河对岸)的Bob。然后,Bob便需要对他所拥有的B ,或者说是,从多瑙河底的光纤信道(量子通道)传过来的光子,作一些我们上一节中提到过的"变换处理"。
比较起Alice的"贝尔测量"来说,Bob的"变换处理"操作要简单多了,因为实际上,在Alice用X和A 完成贝尔测量的那一霎那X,A,B 三粒子之间,已经完成了"纠缠转移":原来不纠缠的X和A纠缠起来光子X 原来量子态的大部分信息,已经转移到B 比如在Alice作的"同时符合"贝尔测量情况下,Bob只需要根据从微波天线接受到的信息,对光纤信道传来的光子,作点小变换:如果微波信息是"符合",什么也不作;如果微波信息是不"符合",则将传来的光子的偏振方向变成与原方向垂直。上面所说的目的,用得到的微波信息,连到一个电光转换开关,再控制偏振器,即可达到。像在上图中,Bob的圆圈中所显示的那样。
2014年06月22日 04点06分 4
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到此为止,原来的光子X 的所有信息都转移到了Bob所拥有的光子B上 而实际上,Alice和Bob从始至终都对X 上的这些信息一无所知,他们唯一所知道的只是: 最后,X和A 成为纠缠单态,Bob的粒子有了原来X 的所有性质,隐形传态完成了。
在量子隐形传态的实验中,调节每个光子之间的时间差,做到两个光子必须"同时"到达测量仪器,对隐形传态的成功与否至关重要。
"贝尔测量"也是影响传态保真度的重要因素。因为利用线性光学元件,不能完全区分四个贝尔态。因此,要实现完全的贝尔测量,就需要采取另外一些办法。一个方法是使用非线性的光学器件(见参考资料)。
另外一条路就是采取"连续变量"纠缠源来实现量子隐形传态。
我们在此文中所叙述的量子纠缠及其在量子信息中的应用,基本是基于以单光子偏振态为代表的 "分离变量"方法。实际上,也有不少实验室研究所谓"连续变量"的量子信息技术。连续变量量子信息,是以光场正交振幅和正交位相分量为代表。"分离变量"对应于有限维的状态空间,可以用简单的量子力学算符和方程准确描述,而"连续变量"对应于无限维的状态空间,解释起来不容易。两种方式各有优点与不足,比如对量子隐形传态来说,用连续变量方法,可以做到完全的贝尔测量,理想情况下的贝尔探测效率可达100%。在此我们不多谈两种方式的优缺点,目前也有人提出hybrid 的方案,即是将分离变量和连续变量量子资源结合起来,发展混合型的量子信息技术。
可喜的是,对量子信息的研究和实验方面,中国的学者们,走在了国际科研的前沿。除了使用分离变量方法的中科大-清华团队之外,山西大学光电研究所在连续变量量子信息方面做了很多突出的工作,他们的实验室,不仅在国内连续变量领域是独此一家,在世界上也可算是这方面几个有代表性的实验室之一。他们在2004年,最早实现了连续变量的量子隐形传输。2006年,他们的研究团队利用连续变量量子纠缠,设计和实现了量子保密通信,并证明了它在长距离传输中的安全性(见参考资料)。
2014年06月22日 04点06分 5
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参考资料
[1]第一次量子隐形传态:D. Bouwmeester, J. W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H.Weinfurter, and A.Zeilinger, "Experimental quantum teleportation,"Nature 390 (6660),575-579 (1997).
[2]中科大和清华团队文章:Xian-Min Jin, Ji-Gang Ren, Bin Yang, Zhen-Huan Yi,Fei Zhou, Xiao-Fan Xu, Shao-Kai Wang, Dong Yang, Yuan-Feng Hu, Shuo Jiang, TaoYang, Hao Yin, Kai Chen, Cheng-Zhi Peng and Jian-Wei Pan. ExperimentalFree-Space Quantum Teleportation,Nature Photonics, 4, 376-381(2010).
[3]连续变量:"Experimental procedures for entanglementverification", on Phys. Rev. A 75 , 052318 (2007);
[4]混合型量子信息:"Optical hybrid approaches to quantum information" on Laser & Photonics Reviews , February 25 , 2010。
[5]连续变量量子隐形传输:Phys.Rev.Lett.93.250503;
[6]连续变量量子保密通信:Europhys. Lett. 87, 20005 (2009); Phys. Rev. A 74,062305 (2006)。
[7]完全贝尔测量:http://www.physics.ohio-state.edu/~wilkins/writing/Assign/topics/Q-trans-prl.pdf
(全文完)
2014年06月22日 04点06分 6
level 10
搬走了
2014年07月31日 14点07分 8
搬到哪里去
2014年07月31日 14点07分
回复 dangerous时代 :脑海中
2014年07月31日 14点07分
level 5
lz
,,,为何整个吧只有你一个人啊啊啊
2014年08月04日 17点08分 9
这个吧很冷清啊,吧主是大学生
2014年08月04日 17点08分
回复 dangerous时代 :主要是问题太深奥了,,,人性化一点吧,,,
2014年08月04日 17点08分
回复 樱井ooo智树 :只能你多看看书了,这只是科普文章
2014年08月04日 17点08分
回复 dangerous时代 :好吧,,我会努力的
2014年08月04日 17点08分
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