量子隐形传态

量子隐形传态第1页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三主要内容基本概念量子隐形传态的基本理论量子态转换第2页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三第3页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三第4页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三第5页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三第6页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三一、1997年,奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。二、2004年，这个小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子态隐形传输距离提高

到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰,量子态隐形传输的距离难以

大幅度提高。三、2004年，中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远

距离的量子通信。在自由空间,环境对光量子态的干扰效应极小,而光子一旦穿

透大气层进入外层空间,其损耗更是接近于零,这使得自由空间信道比光纤信道

在远距离传输方面更具优势。这个小组2005年在合肥创造了13公里的自由空

间双向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光

子的可行性。四、2007年开始，中国科大——清华大学联合小组在北京八达岭与河北怀来之间架

设长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输

穿越大气层的可行性，为未来卫星中继的全球化量子通信网络奠定了可靠基础。第7页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三国内最新进展中科大和清华大学的联合研究小组实现16公里的自由空间量子隐形传态北京八达岭到河北张家口市怀来县第8页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三

量子隐行传态：将粒子的未知量子态传输到另一个地方，把远处的另一个粒子制备到此态，原来的粒子仍在原处。定义：TeleportinganunknownquantumstateviadualclassicalandEPRchannels基本思想：

将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分。他们分别通过经典通道和量子信道传输给接收方。经典信息是发送者对原物通过某种测量得到。量子信息是发送者在测量中未提取的信息。实现过程：Alice和Bob在空间上分隔两地，Alice拥有粒子1、2,Bob拥有粒子3。在这里，粒子1处于信息态：未知概率幅包含相应的信息传输的量子态第9页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三而粒子2和3构成了四个Bell基其中之一，是一个完全的纠缠态，其可以作为Alice和Bob之间的量子通道，表示为：Bell基这三个粒子所组成的系统总的状态为：第10页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三以粒子1和2的四个Bell基为展开次状态Alice要将手中粒子1的信息态（实际即）传送到Bob手中的粒子3。为了实现这个过程，必须首先由Alice对粒子1和2作Bell基测量，并且将测量的结果用经典信息通道告诉给Bob，然后Bob根据Alice提供的信息，决定对粒子3作幺正变换，以实现对粒子1的传输。具体操作过程及结果如下：1）、如果Alice宣布Bell基测量结果为（即粒子3坍塌到展开式第一项），则Bob手上粒子3的态将为。此时Bob对粒子3做X操作：第11页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三2）、如果Alice宣布Bell基测量结果为（即粒子3坍塌到展开式第二项），则Bob手上粒子3的态将为。此时Bob对粒子3做Y操作：3）、如果Alice宣布Bell基测量结果为（即粒子3坍塌到展开式第三项），则Bob手上粒子3的态将为。此时Bob对粒子3不做任何操作4）、如果Alice宣布Bell基测量结果为（即粒子3坍塌到展开式第四项），则Bob手上粒子3的态将为。此时Bob对粒子3做X操作：第12页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三例子：设计进行量子隐形传态的量子电路首先送信者和收信者共同拥有如下的贝尔状态送信者的初期状态如下：第13页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三1）、送信者A将自己拥有的两个qubit经过控制非门（CNOT）演算变换后，此时送收信者状态将变换成如下状态：2）、送信者A将自己拥有的第一个量子比特进行H门操作第14页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三测量第15页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三经典通道第16页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三有关量子teleportation隐形传态值得注意一点是：在执行测定的同时，送信者将毁灭自己希望传送的qubit。也就是说：在执行测定的瞬间送信者将失去自己的qubit，这个qubit附载的信息被传送给了受信者。如此说来，是否可以说借助量子teleportation隐形传态技术可以超越光速传递信息，回答是“No”。为什么，因为收信者在测定发生的瞬间无法得知送信者传送的qubit，只有当受信者获得送信者通过经典信道传送过来的2bit信息，并对送信者的qubit执行复原变换后才可获知送信者的信息。从这一点上来说，利用量子teleportation隐形传态技术传递信息，并非可以超越光速，这与物理法则并不矛盾。思考第17页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三实验执行（证明）图2是奥地利小组的实验原理装置.O是纠缠光子对的光源(即参量下转换器件),孪生光子分别传送给Alice和Bob,Alice处有半透半反分束器BS和光子探测器A1,A2,Bob处有偏振探测器PD和两个光子探测器B+,B-.第三者Carol通过偏振器把其光子制备到待发送的偏振态上,这个光子入射到分束器BS,与Alice的光子叠加在一起.为叙述方便,我们将Alice,Bob,Carol三人的光子分别称为A,B,C光子.第18页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三根据分束器的量子理论,每个入射光子的反射或透射的几率相同,当分束器的两个输入口同时有一个光子进入时,两个光子的反射和透射几率幅将发生重叠.基于量子力学的幺正性,若两个光子同时被反射会出现一个附加负号,因此,两个过程会彼此抵消.当然,只有在两个入射光子处于对称态的场合才会出现这种情况.在两个入射光子处于反对称态[即如(1)式所示的单重纠缠态]时,两种几率将会出现另一个附加相对负号,因而产生相长干涉.因此,若A光子和C光子处于单重纠缠态,那么分束器BS两个输出端的探测器将同时记录到光子(即符合计数).借助于探测器A1和A2的这种符合计数,可以将A光子和B光子投影到Bell基中的单重态上.为了确实一个未知的量子态能够被隐形传送,该实验首先演示一组完备基矢可以被隐形传送,然后再证实这个基矢的叠加态也可以被隐形传送.为此,先使C光子处于45°线偏振态,通过记录探测器A1和A2之间的符合,可以识别C光子与A光子单重态|ψ-出现这个结果的几率是25%.如果探测到A1和A2的符合,那么B光子应当处于45°的偏振态.偏振探测器PD可以将B光子按其偏振状态的不同经由不同通道输出,当B光子处于45°偏振态时,探测器B+接收到光子,而探测器B-只能接收到处于-45°偏振的B光子.为证实量子隐形传态,一旦探测器A1和A2同时记录到光子,此时应当只有B+会记录到光子,而B-不可能探测到光子.因此,只要记录到B+A1A2存在三重符合而B-A1A2不存在三重符合,便可证明A光子的偏振态已经传送给B光子了。第19页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三Theprocesssummarization第20页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三AcompleteBell-statemeasurementcannotonlygivetheresultthatthetwoparticles1and2

areintheantisymmetricstate,butwithequalprobabilitiesof25%wecouldfindtheminanyoneofthethreeotherentangledstates.Whenthishappens,particle3isleftinoneofthreedifferentstates.ItcanthenbebroughtbyBobintothe

originalstateofparticle1byanaccordinglychosentransformation,

independentofthestateofparticle1,afterreceivingviaaclassical

communicationchanneltheinformationonwhichoftheBell-state.第21页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三AnalyseItisalsoimportanttonoticethattheBell-statemeasurementdoesnotrevealanyinformationonthepropertiesofanyoftheparticles.Thisistheveryreasonwhyquantumteleportationusingcoherenttwo-particlesuperpositionsworks,whileanymeasurementononeparticlesuperpositionswouldfail.Aftersuccessfulteleportationparticle1isnotavailableinitsoriginalstateanymore,andthereforeparticle3isnotaclonebutisreallytheresultofteleportation.量子态转换问题近距离量子信息交换方案Quantumstatetransfer第22页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三Three-dimensionalquantumstatetransferbetweenspatially

separatedatomsviaselectivephotonemissionandabsorption

processesModeland

Purpose第23页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三第24页，共30页，2022年，5月20日，21点48分，星期三TheinteractionHamil