量子信息的载体可以是任意两态的微观粒子系统。只有量子力学才能描述这些微观粒子构成的的微观系统,传递和处理载荷在它们之上的信息必定具备量子特征的物理过程。
如果信息一旦量子化,那么量子力学性质就会成为量子信息的物理基础。这时由于量子的微观特征,信息也会变得丰富多彩。量子的这些围观特征主要表现在:①量子态叠加性和相干性:量子位可以处在两个本征态的叠加状态,在对量子位的操作中,两个状态态的叠加振幅可以互相干涉,这是量子的相干性;②量子态纠缠性:N个量子在特定的环境下,比如特定的温度或特定的磁场,可以处于比较稳定的量子纠缠状态,如果对其中某个子系统进行局域操作就会影响到其余系统的状态;③量子不可克隆:量子密码技术的物理基础是由量子不可克隆定理和测不准原理构成。
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量子纠缠是量子信息处理过程中必不可少的重要资源,在量子信息和量子物理学的基本问题研究中起了相当重要的作用,所以说现代的量子信息离不开量子纠缠。但是在量子信息处理过程中,所需要的纠缠资源常为最大纠缠态,或者纠缠程度已知的非最大纠缠态。
对两体系统,如果其量子态的描述不能写成直接乘积的两部分,那么两者相互纠缠,纠缠状态就是描述其量子态。纠缠的程度是可以进行度量的,对两量子比特系统来说,可以用下面将要讲到的并发(concurrence)度来测量纠缠度纠缠量处于0和1之间,熟知的4个Bell态有最大的纠缠量为:
=(│0〉│0〉±│1〉│1〉)(1)
=(│0〉│1〉±│1〉│0〉)(2)
我们将会用│〉或│〉│〉来表示│〉│〉。这4个Bell态互相正交,组成完备的基矢。我们将会用到的魔幻基(magicbasis)和Bell基有紧密的联系:
=(│0〉│0〉+│1〉│1〉)(3)
=(│0〉│1〉+│1〉│0〉)(4)
=(│0〉│1〉-│1〉│0〉)(5)
=(│0〉│0〉-│1〉│1〉)(6)
任意两量子比特纯态可以用魔幻基展开态的并发纠缠是可分态的并发纠缠为0。
任意两量子比特门都可以进行正则分解[1]:
这里的,,和都是单量子比特操作,有特殊的形式:
这里的是Pauli算子,系数满足魔幻基是的本征态:
量子纠缠是一种有用的信息“资源”,在许多方面比如量子隐形传态、量子密集编码[2]、量子密钥分配以及在量子计算的加速、量子纠错、防错等都起着关键作用。目前实验上制备得最完美的纠缠态是利用参量下转换的办法产生的纠缠光子对,另外就是在离子阱中制备出了四粒子纠缠态,最近,德国的Eibl和Bourennane等又报道了一个3量子比特纠缠态的实验实现以及偏振光子三个和四个量子比特纠缠态之间的多方纠缠实验[3]。
4量子隐形传态文献综述
早期提出的隐形传态(teleportation)利用的是一种超自然的力量或现代科学技术手段,用最快捷的方式将一个物体从发送者处传送到空间远距离的接收者处。我们经常在科幻电影中看到这样的场景:一个神秘的人物突然消失在某个地方,然后又莫名其妙的出现在别的地方!隐形传送一词由此而来。所谓量子隐形传态,通俗的来说就是:把甲地的某一粒子的未知量子态还原在乙地的另一粒子上。因为会受量子力学不确定原理的限制,我们不能把原量子态的所有信息精确地全部提取出来,所以必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息。它们从经典通道和量子通道发送到地面。然后,根据信息,构建原始量子态的原始状态。