偏振光子的大气传输及纠缠浓缩

论文摘要

量子信息是近二十年迅速发展起来的科学,是量子力学与信息科学相结合的产物。作为量子信息的重要组成部分,量子通信以量子态为信息载体,利用量子力学原理进行信息的传递和处理。借助卫星建立全球化量子通信网络已成为量子通信的重要研究课题,因此携带信息的光子如何受大气信道的影响也受到越来越多的关注。量子纠缠作为量子信息的基本资源,已在量子通信中得到广泛应用。然而纠缠态在大气信道中传送的过程中,由于存在消相干,纠缠度会降低。为了克服这一难题,必须要运用纠缠浓缩技术。针对量子通信中现存的问题,本文主要进行了以下两方面工作:1)自由空间量子密钥分配过程中偏振光子受大气影响的理论研究;2)偏振光子非最大纠缠态纠缠浓缩的光学实现。在第一项研究中,本文主要是以Monte Carlo方法作为主要手段,对偏振光在大气中的传输过程进行了仿真模拟。首先根据Monte Carlo基本原理和Mie散射理论建立了光子在大气中传输的散射模型。然后通过实际编程得到了不对称因子g的变化情况、散射相函数、自由程L的分布情况、散射角的统计结果、散射光子坐标分布和偏振光子Stokes矢量的改变等结果,为进一步深入研究打下了良好基础。在第二项研究中,本文提出了一个能够实现偏振光子确定性纠缠浓缩的实验方案。该方案首先采用隐形传态方法,将两个光子的偏振态传送到第三个光子的偏振和路径态,近来Bell态测量方面的研究进展保证了这种操作的确定性实现。然后,方案所需的POVM测量就可以通过本文设计的线性光学装置确定性地实现,从而实现偏振光子的确定性纠缠浓缩。所有这些操作都是当前实验技术能够达到的,因而本方案在实验上是可行的。

论文目录

• 中文部分
• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 量子信息基础
• 1.1 量子比特和量子门
• 1.1.1 量子比特
• 1.1.2 量子门
• 1.2 量子纠缠
• 1.2.1 纠缠的概念
• 1.2.2 Bell 态
• 1.2.3 纠缠光子对之间的关联性与非定域性
• 1.3 量子密钥分配
• 1.3.1 BB84 协议
• 1.3.2 Ekert91 协议
• 2 光场与大气相互作用理论基础
• 2.1 单光子偏振态的矩阵表示
• 2.1.1 相干矩阵和Jones 矩阵
• 2.1.2 Stokes 矢量
• 2.2 大气对光的影响
• 2.2.1 大气吸收
• 2.2.2 大气散射
• 2.2.3 大气湍流
• 2.3 大气光散射理论简介
• 2.3.1 Rayleigh 散射
• 2.3.2 Mie 散射
• 3 大气散射对光子量子态影响的蒙特卡洛模拟及分析
• 3.1 单次散射模型
• 3.2 多次散射的 Monte Carlo 模拟方案
• 3.2.1 光子偏振态在大气量子信道中的演化模型
• 3.2.2 偏振光子大气传输的数值模拟方案
• 3.3 模拟结果
• 3.3.1 偏振光子单次散射模拟结果分析
• 3.3.2 偏振光子多次散射的MC 模拟结果分析
• 3.3.3 结论
• 4 偏振光子确定性纠缠浓缩的光学实现
• 4.1 隐形传态
• 4.2 量子测量与POVM
• 4.2.1 投影测量
• 4.2.2 广义测量——POVM
• 4.3 偏振光子的确定性纠缠浓缩协议
• 4.4 确定性纠缠浓缩的光学实现
• 4.5 结论
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录：偏振光子大气MIE 散射蒙特卡洛模拟程序
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表的论文
• 英文部分
• 摘要
• Abstract
• INTRODUCTION
• 1 FUNDAMENTALS OF QUANTUM INFORMATION
• 1.1 QUANTUM BITS AND QUANTUM GATES
• 1.1.1 Quantum bits
• 1.1.2 Quantum gates
• 1.2 QUANTUM ENTANGLEMENT
• 1.2.1 Concept of quantum entanglement
• 1.2.2 Bell states
• 1.2.3 Correlation and nonlocality of entangled photon pairs
• 1.3 QUANTUM KEY DISTRIBUTION
• 1.3.1 BB84 protocol
• 1.3.2 Ekert91 protocol
• 2 BASIC THEORIES OF INTERACTION BETWEEN ATMOSPHERE AND LIGHT
• 2.1 MATRIX REPRESENTATION OF PHOTON POLARIZATION
• 2.1.1 Correlation Matrix and Jones Matrix
• 2.1.2 Stokes Vector
• 2.2 THE EFFECT OF ATMOSPHERE ON LIGHT
• 2.2.1 Absorption in atmosphere
• 2.2.2 Scattering in atmosphere
• 2.2.3 Turbulence atmosphere
• 2.3 THEORY OF LIGHT SCATTERING IN ATMOSPHERE
• 2.3.1 Rayleigh scattering
• 2.3.2 Mie scattering
• 3 MONTE CARLO SIMULATION AND ANALYSIS OF POLARIZATION OF PHOTONS SCATTERED IN ATMOSPHERE
• 3.1 MODEL OF SINGLE-SCATTERING
• 3.2 MONTE CARLO SIMULATION SCHEME OF MULTIPLE-SCATTERING
• 3.2.1 Evolution model of photon polarization state in atmospheric quantum channel
• 3.2.2 Numerical simulation scheme of polarized photon transmission in atmosphere
• 3.3 RESULTS OF SIMULATION
• 3.3.1 Results of single scattering simulation
• 3.3.2 Results of multiple scattering MC simulation
• 4 OPTICAL REALIZATION OF DETERMINISTIC ENTANGLEMENT CONCENTRATION OF POLARIZED PHOTONS
• 4.1 TELEPORTATION
• 4.2 QUANTUM MEASUREMENT AND POVM
• 4.2.1 Projective measurement
• 4.2.2 POVM measurement
• 4.3 PROTOCOL FOR DETERMINISTIC ENTANGLEMENT CONCENTRATION OF POLARIZED PHOTONS [45]
• 4.4 OPTICAL REALIZATION OF DETERMINISTIC ENTANGLEMENT CONCENTRATION
• 4.5 CONCLUSIONS
• 5 CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES
• 5.1 CONCLUSIONS
• 5.2 PERSPECTIVES
• REFERENCES
• ACKNOWLEDGEMENTS
• Resume
• DELIVERED PAPER