基于腔量子電動力學技術的遠程制備兩原子糾纏態的方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及量子信息、通信網絡、新型光通信技術領域，更具體地說，本發明設及 一種基于腔量子電動力學技術的遠程制備兩原子糾纏態的方法。
【背景技術】
[0002] 量子通信是近年來興起的一種新型通信方式。通過將信息編碼于具有量子特性的 物理系統，利用系統狀態的量子特性，例如量子糾纏、測量塌縮、量子態不可克隆等，使得量 子通信過程較經典通信更加的安全，高效，抗干擾。目前人們提出了各種有意思的量子通信 方案，例如量子隱形傳態，量子秘鑰分配，遠程態制備，量子秘密共享等。運些通信方案可W 在光學系統、核磁共振系統、量子點系統、腔電動力學系統等物理系統中實現。
[0003] 在運些系統中，腔犯D(quantum elechodynamics，量子電動力學）系統得到了更 多的關注，因為一般來說人們普遍認為原子是比較理想的信息存儲器，光子是信息交換的 媒介，而腔恰恰為原子和光子的相互作用提供了一個良好的平臺。考慮到腔犯D獨有的優 勢，人們開始在理論和實驗上研究如何在該體系中實現各種量子信息過程[1]-[11]。但是 對于量子通信領域中的一個新興的發展方向一一遠程態制備，在W往的工作中卻設及不多
[12]-[15]〇
[0004] 假設在某些信息處理過程之后，例如，在一次量子秘密共享之后，描述一個秘密量 子比特內容的經典信息被拆分并分布于量子網絡的不同節點。也就是說，每一個節點只掌 握了秘密量子比特態的一部分信息;沒有任何一個節點擁有運個秘密量子比特的全部的信 息，可W獨立地恢復秘密量子比特的信息。現在的問題是如何能夠在一個新的節點重建秘 密信息。為此提出了多方聯合遠程制備量子態的方法[1]-[11]。運些方法分別利用了不同 的量子糾纏態作為量子信息的傳輸通道，完成對不同類型的量子比特態的聯合遠程制備任 務。但是，運些研究工作僅僅從數學的層面提出了對量子比特態進行多方聯合遠程制備的 方法，而沒有針對具體的物理系統提出在實踐中具有可操作性的方案。少數的研究者提出 來的實驗方案[11][12]都是W單光子作為信息的載體，而單光子在實際的操作中往往很容 易受到環境的影響并煙滅。
[000引目前對于遠程態制備的實驗方案，主要是在光子系統進行探討。雖然光子傳輸速 度快，但是消相干時間短，在實際的物理環境中容易煙滅。并且，遠程制備量子態的過程中 并不需要將信息的載體進行傳輸，而是要對信息的載體進行適當的操作。由此可見，光子系 統并不是完成遠程態制備的理想物理系統。此外，雖然有少數基于原子糾纏態的遠程態制 備實驗方案，但其中大部分的方案都僅限于一位發送者和一位接受者，而目前量子通信正 在向網絡化的方向發展，通信協議需要考慮到有多位參與者的情況。
[0006] <參考文獻〉
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【發明內容】
[0022] 本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在上述缺陷，提供一種能夠從實 際的可操作性出發，提出由一個多方參與的，W兩能級原子作為信息的載體，利用兩能級原 子與經典電磁場之間的相互作用，通過一個Ξ原子W型糾纏態和一個量原子糾纏態組成的 量子信息傳輸信道，完成對兩原子量子比特態的遠程態制備的方法。
[0023] 為了實現上述技術目的，根據本發明，提供了一種基于腔量子電動力學技術的遠 程制備兩原子糾纏態的方法，其中一位發送者將協助兩位接收者中的一位建立I Φ >=曰 gg>+i3|ee>形式的兩原子糾纏態，其中|肖>和|6>分別表示兩能級原子的基態和激發態， 參數α和β為實數，且滿足條件α 2+護=1;發送者掌握著運個量子態的信息，兩位接收者不知 道量子態的信息；為了完成傳送信息的任務，發送者在其和兩位接收者之間建立起一個兩 原子糾纏態和一個Ξ原子W類糾纏態作為量子信道
[0026] 其中原子1和4屬于發送者，原子2和3分別屬于第一接收者和第二接收者，而原子5 交給最終的接收者。
[0027] 優選地，所述的基于腔量子電動力學技術的遠程制備兩原子糾纏態的方法包括：
[0028] 第一步驟，發送者預先制備一個單模腔Α，其中腔場的頻率與兩能級原子的躍遷頻 率之間的失諧量為δ，原子-腔禪合系數為ε;同時引入一個強經典場驅動原子，經典場的頻 率與原子躍遷頻率相同，經典場的拉比頻率為Ω ;發送者設置各器件的參數滿足條件Ω > >δ>>ε，隨后將原子1和原子4注入單模腔Α，發送者根據所擁有的被傳送量子態的信息， 控制原子飛行時間τ，使其滿足條件
同時，調節經典場的拉比頻率滿足條 件 Ω τ = π;
[0029] 第二步驟，完成第一步驟后，Ξ個原子所組成的系統的量子態將演化至如下形式：
[0030]
[0031] 此時，發送者分別對其所擁有的原子1和原子4進行測量，判斷原子處于基態|g> 還是激發態|e>;
[0032] 第Ξ步驟，發送者在兩位接收者中選擇一位作為最終的接收者，將原子1和原子4 的測量結果通過經典信道發送給第一發送者和第二發送者，并將原子5分配給最終的接收 者；
[0033] 第四步驟，另一位接收者對自己手中的原子進行測量，并將測量結果通過經典信 道告知最終的接收者；
[0034] 第五步驟，最終的接收者根據來自發送者和另一位接收者的經典信息，判斷是否 完成了遠程態制備的任務。
[0035] 優選地，第五步驟包括:如果另一位接收者的原子處于激發態I e>，則最終的接收 者不重建被傳送量子態。
[0036] 優選地，第五步驟包括:如果另一位接收者的原子處于基態|g>，則最終的接收者 通過單原子操作，完成遠程態制備的任務
[0037] 進一步優選地，若發送者的原子處于|ge>l，4或|eg>l，4態，則最終的接收者直 接得到被傳送量子態；
[0038] 若發送者的