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复杂网络中的量子纠缠渗流

周磊  
【摘要】:近年来,随着量子信息科学的快速发展,量子通信和量子计算的实用化研究受到人们的极大关注。量子通信和量子计算中的量子比特需要在量子网络进行传输,量子网络大范围实用化的关键是制备远距离的量子纠缠态。本文从理论上研究了小世界网络中的长程量子纠缠态的制备。 由于量子态的退相干、环境中的噪声等方面的影响,随着传输距离的增加,量子纠缠态极易受到干扰而快速衰减掉。为了解决长距量子传输中纠缠态衰减的问题,人们引入了量子中继器和量子网络的概念。量子中继器提供了远程量子态的放大和储存,而以量子中继器为节点,节点之间共享一对或多对量子纠缠态,从而构成了量子网络。将部分纠缠态以“转化概率”转化为最大纠缠态,从而建立起两个节点之间的量子信道。如果能够在较远距离的任意节点之间实现量子纠缠态的制备和传递,就能够将这些节点连通起来,构建实用的量子网络。 在本文中,通过提出纠缠渗流的方法优化网络中量子纠缠态传输的方案。将远距离量子纠缠态的制备和传递问题,转化为量子网络的纠缠渗流问题,而纠缠渗流的阈值“threshold”标志着量子纠缠态传输所需要的最少资源。不改变网络结构的纠缠渗流,即经典纠缠渗流(CEP),在提升网络中量子纠缠态传输方面的潜力有限。通过在经典纠缠渗流协议中引入局域化的量子操作—“q-swap”,就得到了量子纠缠渗流协议(QEP)。发现“q-swap”操作后的QEP的阈值略低于CEP的情况,并讨论了其产生的原因。 在分析了“q-swap”的操作原理后,针对“q-swap”操作的局限性对其进行了扩展和改进,将改进后的量子操作称为“target-swap”操作。讨论了在不破坏原有网络结构的基础上,进行“target-swap”量子操作的情况。研究结果表明,在采用“target-swap”操作后,在长程量子纠缠态制备和传输的性能方面,QEP的阈值明显低于CEP,即QEP的性能明显优于CEP。而不同的“swap”操作策略,以及节点间不同的纠缠量子对数目,都对阈值“threshold”产生明显的影响。在文中讨论了上述现象产生的原因。


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