量子信息处理——量子网络通信基础

      量子信息处理协议

       正如经典计算机只有硬件和软件协同工作才能发挥强大信息处理能力一样，量子计算机也需要量子硬件和量子软件协同工作。基于量子非线性光子学所设计的集成光量子芯片提供了一种高性能的量子硬件平台，本实验室设计可运行于量子硬件上的多种量子软件算法，采用该算法可实现通用的多模及可控量子隐形传态、量子隐形传态网络、量子密码通信网络、量子密集编码网络、本地Clofford量子等价变换等信息处理功能（点击查看科研成果 PDF）。分别介绍如下：

1. 设计了基于连续变量多组份纠缠态的量子通信网络通用模型(PRA 78,042302 (2008))。该模型得到审稿人的较高评价，认为我们首次推导出了采用连续变量Graph纠缠态实现量子通信网络的充分条件，为连续变量量子计算、量子克隆以及量子广播等其他量子信息处理问题提供了基本研究方法。利用该理论模型设计了量子密码通信网络[PRA 86, 052333(2012)]，量子密集编码网络[Quantum Infor Process(QIP)13,2437(2014)], 推导出两个连续变量稳定子态在本地Clofford操作下的等价性充要条件[PRA 80, 052333(2009)]，为研究基于图态的量子计算提供了一种重要的理论工具。
           
                    图1.基于图态的量子隐形传态网络                       图2. 稳定子态的本地操作等价性
          
                     图3.基于图态的量子密集编码网络                       图4. 基于图态的量子密码网络    
2. 研究了玻色环境中量子退相干效应对量子通信系统性能的影响。 本实验室系统地研究了玻色环境中的量子纠缠动力学过程，定量分析了基于纠缠的量子隐形传态、密集编码系统性能与环境参数之间的关系[PRA84, 034305 (2011); IJTP]。为减小环境的退相干效应对量子通信系统的影响，申请者采用线性光学方法设计了一种多方相干信道实现相干量子隐形传态和相干密集编码，极大地提高了系统性能，该成果发表在Optics Express(OE)上[21 (17):19790(2013)]。
            
                   图5. 玻色环境对量子通信性能的影响                          图6. 相干隐形传态和相干密集编码
3. 首次设计了基于连续变量多组份纠缠态的任意多模连续变量GHZ态隐形传态方案[Jour. Phys. B (JPB) 41, 215503(2008)]. 该论文匿名审稿人认为：“…the authors are the first (to the best of my knowledge) to explicitly perform the computation, present the ensuing analysis and draw the corresponding conclusions.”。另外，我们提出了基于连续变量GHZ纠缠态的可控隐形传态方案[JPB 41.175504(2008)],该论文对量子网络中的多方可控通信进行了深入探索。
           
                         图7. CVGHZ态的隐形传态方案                                       图8.可控隐形传态