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1、量子信息讲座3第二讲量子态的操纵和制备郑仕标郭光灿(中国科学技术大学物理系,合肥230026)摘要介绍了操纵和制备光场、原子、囚禁离子各种量子态的基本方法和意义,并简要综述了这方面的进展情况.在量子信息科学中,量子态是信息的载体,量子态的操纵实质上是量子信息的操纵,因而它对于各种量子信息系统的实现有着极为重要的意义.关键词量子态,量子信息,量子纠缠MANIPULATIONANDPREPARATIONOFQUANTUMSTATESZhengShibiaoGuoGuangcan(DepartmentofPhysics,UniversitySc
2、ienceandTechnologyofChina,Hefei230026)AbstractThefundamentalprincipleandimportanceofmanipulatingandgeneratingvariousquantumstatesoflightfields,atoms,andtrappedionsaredescribed.Progressinthisfieldisbrieflyre2viewed.Fromtheviewpointofquantuminformation,quantumstatesarecarri
3、ersofinformation,andthusthemanipulationofquantumstatesisessentiallyaprocessofmanipulatingquantuminformation,whichiscriticaltotherealizationofvariousquantuminformationsystems.Keywordsquantumstates,quantuminformation,quantumentanglement信息的载体,量子信息的加工处理归根到底是1引言一种量子态的操纵过程.因此,人
4、们期望按照自己的意愿实现对量子态的制备和操纵,以达[1]在宏观经典领域中,人们可以按照自己的到特定的目的,这就是所谓的量子态工程.意愿来设计各种经典系统,以实现特定的功下面,我们将分别具体介绍制备和操纵光场、原能.在量子世界中,描述量子系统的是态函数,子以及囚禁离子质心运动的量子态的基本方法它具有几率幅的意义,态函数的演化遵从薛定及意义.谔方程.量子力学的这些特征在经典物理上没有对应的概念,因而我们不能完全采用宏观经2光场量子态的制备典的手段来制备一个特定的量子态.另一方面,对各种量子态的操纵不仅在验作为信息载体的光场,其噪声限制着信息证
5、量子力学基本原理方面有重要的意义,而且的传输和提取.在理想情况下,原则上可消除系在其他相关的领域也发挥着巨大的作用,尤其统的全部经典噪声,以达到最大的信噪比.但在量子信息领域更起着举足轻重的作用.在量子通信、量子计算机和量子密码术中,量子态是3国家教委博士点基金资助项目1997-10-16收到27卷(1998年)4期·241·即使这样,系统的信息功能仍然受到量子噪声的.这个方法大致又可分为两种类型:第一种是的影响.这是由于光场本身不可避免地存在量利用不同光场之间的相互作用,让输入信号光子噪声(这是由量子力学的基本原理决定的).与探测光在克
6、尔介质中相互作用并发生纠缠,[6]相干态具有标准的量子极限的噪声.对于某一然后对输出探测光的某一个正交相位分量个信号,若它本身比这个标准的量子噪声更微进行探测,可使输出信号光坍缩到某个非经典弱,则它将被淹没在这个噪声中.因而,无法用态上.另一种类型是利用Jaynes-Cummings模相干态的光场探测这种信号.所以,寻找各种超[7]型.这是一个描述单个双能级原子与单模量低噪声光场成了一个引人关注的目标.这些光子化光场相互作用的全量子化模型.不久前,场在微弱信号的探测及光通信系统中都将显示Vogel等人[8]在Jaynes-Cummings
7、模型的框[2]出不可替代的优越性.架中提出了一个方案,以制备单模光场的福克这种超低噪声光场也称为压缩态的光叠加态.在此方案中,N个初始处于激发态与[3]场.这些非经典光场的统计性质无法用经典基态的叠加态的双能级原子,逐个地被注入到的随机理论描述,它们的某个物理量的量子噪一个初始处于真空态的共振腔中.假定每个原声低于标准极限的量子噪声.压缩态的光场可子在经过相互作用后都被探测到处于基态,那分为两类,即正交相位压缩和亚泊松分布的光么腔模将被制备到达如下的福克叠加态上:场.对于正交相位压缩的光场,它的某一个正NΦ〉=ΣCnn〉,(2)交相位幅度
8、分量的起伏小于真空起伏;对于亚n=0泊松分布的光场,亦即强度压缩的光场,它的强其中
9、n〉为福克态,系数Cn可由原子的初态度起伏小于相干态光场的强度起伏.的叠加系数来控制.上述过程实质上是原子的
