量子隐形传态

, , , , , ,*, , , , , , ,*,量子隐形传态,1,课件内容：,从,EPR,佯缪到,EPR,效应,Bell,基测量,量子隐形传态的基本理论,1. 基本原理,2. 基本过程,试验的实现,中国学者的工作,展望,2,简介,量子隐形传态,(quantum teleportation),是经由经典通道和,EPR,通道传送未知量子态。通俗来讲就是,:,将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原出来。因量子力学的不确定原理和量子态不可克隆原理,限制我们将原量子态的所有信息精确地全部提取出来,因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分,它们分别由经典通道和量子通道送到乙地,根据这些信息,在乙地构造出原量子态的全貌。,3,从,EPR,佯缪到,EPR,效应,1935,年,爱因斯坦、波多尔斯基,和,罗森,( Einstein Podolsky and Rosen),等,人提出一种,波,其量子态,：,其中,，,分别,代表了两个粒子的坐标，这样,一,个量子态的基本特征是在任何表象,下,，它都不可,以,写成两个子,系,统的量子态的,直,积的形式：,薛定谔将这样的量子态,称,为,纠缠态,。,4,爱因斯坦等人提出纠缠态的目的在于说明在承认局域性,(local effect),和实在性的前提下，量子力学的描述是不完备的。并且提出了被称为,EPR,佯谬的著名的假想实验 。,对于两个纠缠态的粒子，对其中一个的测量将会影响到另外一个粒子，无论它们相距多远即物理要承认非局域效应,(non-local effect),！玻尔完全相反的看法，他认为无论纠缠的粒子相距多远都存在量子关联,.,后来理论和实验都支持玻尔说法，但上述非局域性效应却是爱因斯坦等人根据量子力学原理在,EPR,实验中揭示出来的,因此人们又称之为,EPR,效应。,5,Bell,基测量,1982,年,法国学者,Aspect,第一个在实验上证实,Bell,不等式可以被违背,从而证明量子力学理论的正确性及非局域效应的存在。对于两个两态粒子的量子系统,存在如下四个量子态,:,这四个态是,Bell,算符的本征态,为单重态,其余的为三重态,它们构成四维希尔伯特空间的完备正交归一基,称为,Bell,基。,6,量子隐形传态的基本理论,量子隐形传态中,习惯上,称发送者为,Alice ,接收者为,Bob,。,基本原理：,Alice,和,Bob,传,送,一个未知量子态,必,须事先共同,分,享一个纠缠的量子通道,即,EPR,粒子对。将原物的信息,分,为经典信息,和,量子信息,分,别经由经典信道,和量,子,信道,传,送,给接收者,经典信息是发,送,者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发,送,者在测量中未提取的其余信息,。,7,量子隐形传态原理图,BS,代表,Bell,基测量，,U,代表转换矩阵,8,此过程中,原物并未被传给接收者,它始终留在发送者处,被传送的仅仅是原物的量子态,发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的物质单元（如粒子）变换成与原物完全相同的量子态。这跟经典波的传播类似，比如，波从,A,点传送到,B,点，实际上是,A,点的振动状态传送到,B,点，而并不是,A,点的粒子（如声波中的空气分子）传到,B,点。原物的量子态在发送者进行测量及提取经典信息时已遭破坏。,9,基本原理,量子隐形传态的基本原理,就是对待传送的未知量子态与,EPR,对的其中一个粒子实施联合,Bell,基测量,由于,EPR,对的量子非局域关联特性,此时未知态的全部量子信息将会,“,转移,”,到,EPR,对的第二个粒子上,只要根据经典通道传送的,Bell,基测量结果,对,EPR,的第二个粒子的量子态施行适当的幺正变换,就可使这个粒子处于与待传送的未知态完全相同的量子态,从而在,EPR,的第二个粒子上实现对未知态的重现。,10,基本过程,首先我们可以制备粒子,1 ,让它处于一个未知的量子态,:,，,是开始,Alice,要传递给,Bob,的量子态,但粒子,1,始终要留在,Alice,这里。实现,这个未知量子态的,的隐形传,送,其具体过程分,为以,下三,个步骤来完成,:,11,如图所示：,12,13,步骤一,：,量子通道的建立,即,EPR,源的制备过程。为了传送量子子位，除粒子,1,外， 还需要另外两个粒子，我们称之为,“,粒子,2,”,和,“,粒子,3,”,，粒子,2,和粒子,3,必须是关联的。我们可以预先将,2,和,3,制备到如下的,EPR,态上,:,这个时候,粒子,1,并没有与粒子,2,和粒子,3,发生关联,14,因此,由粒子,1,和这个,EPR,对构成的量子体系的复合波函数,即量子态 可以写成 与 的直积状态,:,15,Alice,持有粒子,2 ,将粒子,3,发,送,给,Bob,。为了完成隐形传态,Alice,必须对粒子,1,和,粒子,2,进行测量。粒子,1,和,粒子,2,构成的量子,系,统可以使用面的,Bell,基表示。于是,3,个粒子,系,统的波,函数,可表示为,:,式中态 和 就是粒子,1,和粒子,2,所在的四维希尔伯特空间的,Bell,基。,16,步骤二,：,Alice,采用能,识别,Bell,基的,分,析仪对粒子,1,和她,拥有的,EPR,粒子,2,进行联合测量，并将测量结果传给,Bob,。传,送,的量子态,之,间的关,系,可,表,示为,:,17,相,对于四个,Bell,基的变换矩阵为：,18,步骤三：,Alice,经由经典通道将她对粒子,1,和粒子,2,的测量结果（为四个,Bell,基中的一个）告诉,Bob, Bob,根据这个结果对粒子3实施相应的幺正变换 ，就可以使粒子,3,变换到粒子,1,的精确复制态，从而实现了量子的隐形传态。例如,Alice,测量结果为 ， 则,Bob,只要对粒子,3,实施幺正变换 即可，就可使粒子,3,处在欲传送的量子态上。这样就实现了传输的整个过程。,19,几点说明,(1),事先,粒子,1,与粒子,3,不纠缠,Alice,测量,之,后,在,1,与,2,之,间建立了关联。,(2) Alice,的测量结果是,完全,随机的,故这个结果无法获,得,的信息。,(3),从,Alice,传,送,给,Bob,的经典信息给不出 的信息,2,与,3,共享的,EPR,粒子对也给不,出,的信息,因,为,它们早就存在了。,(4),粒子,3,所处的任一个可能的状态,与,只相差一个相应的,幺,正变换。,(5),从粒子,1,到粒子,3,量子信息的传递可以发生在任意的距离,因此,称为远距传态。,在远距传态中,Alice,不需要知道,Bob,在哪里。,20,(6),量子隐形传态仍然需要经典信息通道的帮,助才能完成,因此不会以超光速传递信息,.,(7),粒子,1,的状态不仅对,Alice,而且对任何人都是不知道的。粒子,1,可以处在任何未知的状态。,(8),这个过程不是克隆,因为当,Alice,进行,Bell,基测量后，,已被破坏掉,符合量子力学的不可克隆定理。,(9),被分解成经典信息和量子信息两部分,只有两者共同组合才能构造出 。,21,实验的实现,：,一个完整的量子隐形传态实验要实现,必须满,足的条件有,:,(1),输入的未知量子态是任意的,;,(2),具有良好的,EPR,源,这是量子隐形传态的,最基本最重要的物理基础，也是关键和难点；,(3),能够识别所有的,Bell,基,以保证探测不是概率性的,;,(4),能完成幺正变换操作,使粒子,3,完全处于粒,子,1,的量子态,.,22,中国学者领先的工作,：,中国科技大学教授潘建伟关于,“,量子隐形传输实验研究,”,的工作入选美国物理学会,“,年度国际十大物理进展,”,，于,1998,年入选,Science,“,年度国际十大科技新闻,”,，于,1999,年入选英国,Nature,特刊,“,百年物理学,21,篇经典论文,”,。关于,“,三光子纠缠态以及量子力学非定域性的实验检验,”,的工作入选美国物理学会,“,年度国际十大物理学新闻,”,。,23,潘建伟教授和,Nature,杂志,24,展望：,量子隐形传态是量子通信中最简单的一种。它不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律有非常重要的意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信。这种方法可靠性高,安全性强,能够节省资源,降低通信的复杂度。如果量子隐形传态的技术得以实现,它将在量子计算和量子通信等方面获得重要应用。,25,