大規(guī)模糾纏態(tài)制備方法研究

楊 名

(安徽大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

多粒子糾纏態(tài)是量子信息處理過程中的重要物理資源，且多粒子糾纏態(tài)的規(guī)模(糾纏粒子數(shù))越大，其在量子通信和量子計算中所體現(xiàn)出來的量子優(yōu)越性越明顯.故此，如何制備大規(guī)模糾纏態(tài)是目前量子信息領(lǐng)域的一個熱點問題.

由于現(xiàn)有技術(shù)水平的限制，目前能夠在實驗上制備得到的多粒子糾纏態(tài)的規(guī)模有限，尚不能滿足其在量子通信和量子計算中的應(yīng)用要求.于是，研究人員在現(xiàn)有多粒子糾纏態(tài)制備技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了多粒子糾纏態(tài)的擴展和融合技術(shù)，以實現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的有效制備.

基于多粒子糾纏結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可將多粒子糾纏態(tài)分為不等價的幾類，不同類的多粒子糾纏態(tài)間不可通過經(jīng)典通信和局域操作實現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)換.W態(tài)和GHZ態(tài)是多粒子糾纏態(tài)中的兩個典型的非等價類，二者在不同的量子信息處理過程中發(fā)揮重要作用.

該專欄文章對基于擴展和融合技術(shù)的大規(guī)模W態(tài)和GHZ態(tài)的制備研究進展進行綜述，旨在總結(jié)現(xiàn)有方案的優(yōu)點和不足，并通過分析給出解決現(xiàn)有方案存在問題的可能方法及后續(xù)研究方向，為大規(guī)模糾纏態(tài)制備的實驗實現(xiàn)提供理論參考.

該專欄共包含4篇綜述文章，分別對無粒子損失的量子態(tài)融合機制、確定性量子態(tài)擴展機制、基于原子系統(tǒng)的量子態(tài)融合機制以及基于光學(xué)系統(tǒng)的量子態(tài)融合機制等分支進行文獻梳理，系統(tǒng)介紹各分支的基本原理和最新的研究進展，并通過分析提出每個分支的后續(xù)可能研究方向.希望該專欄可為該領(lǐng)域的科研工作者提供最新的研究進展，尤其是為準備進入該領(lǐng)域的科研工作者提供系統(tǒng)的前期研究背景知識.

現(xiàn)有的量子態(tài)融合機制會由于量子測量不可避免地損失參與融合的糾纏粒子，造成融合效率的降低，為提高融合過程的效率，科研人員提出了無粒子損失的量子態(tài)融合機制.楊名等的論文“無粒子損失的W態(tài)融合研究綜述”就無粒子損失的量子態(tài)融合機制的最新研究進展進行綜述，包括無粒子損失的量子態(tài)融合機制的物理原理和最新的物理實現(xiàn)方案.通過對比分析，該文給出了該分支的后續(xù)可能研究方向.

現(xiàn)有的W態(tài)擴展機制均只能概率性實現(xiàn)，為提高擴展的效率，科研人員提出了W態(tài)的確定性擴展機制.臧學(xué)平等的論文“基于擴展技術(shù)的大規(guī)模糾纏W態(tài)制備研究綜述”簡要介紹了現(xiàn)有的W態(tài)概率擴展機制的物理原理，重點對W態(tài)的確定性擴展機制的最新研究進展進行了綜述，包括W態(tài)確定性擴展機制的物理原理和最新的物理實現(xiàn)方案.通過對比分析，該文給出了該分支的后續(xù)可能研究方向.

原子系統(tǒng)被認為是最具前景的量子硬件系統(tǒng)之一，因此在原子系統(tǒng)中實現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的制備尤為重要.但處于激發(fā)態(tài)原子的自發(fā)輻射會降低融合方案的保真度，為了有效抑制原子的自發(fā)輻射，可利用Λ 型3能級原子的2個基態(tài)編碼量子信息.計彥強等的論文“基于Λ型原子的糾纏態(tài)融合研究綜述”對基于腔輔助和Rydberg原子反封鎖效應(yīng)的Λ 型3能級原子W態(tài)和GHZ態(tài)融合機制與最新研究進展進行了綜述，并通過對比分析，給出了該分支的后續(xù)可能研究方向.

光學(xué)系統(tǒng)被認為是量子通信的最佳物理系統(tǒng)，因此大規(guī)模光子糾纏態(tài)的制備研究對于量子通信具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值.雖然最早的量子態(tài)融合方案是基于光學(xué)系統(tǒng)提出的，但其融合效率較低，為提高光學(xué)系統(tǒng)W態(tài)的融合效率，基于弱交叉克爾非線性及量子點-微腔耦合系統(tǒng)科研人員提出了高效的W態(tài)融合方案.韓雪等的論文“基于線性光學(xué)系統(tǒng)的 W態(tài)融合研究進展”對基于弱交叉克爾非線性及量子點-微腔耦合系統(tǒng)的光子和電子自旋W態(tài)融合機制及最新研究進展進行了綜述，并通過對比分析，給出了該分支的后續(xù)可能研究方向.