波长可调的量子点纠缠光源(特邀)

可按需产生纠缠光子对的量子光源是光量子网络中的重要组成部分。半导体量子点可确定性地产生高纠缠保真度的光子对。基于量子点构建量子网络所需的量子中继单元时,需要多个发光波长一致的高质量纠缠光源。然而量子点形貌、组分和应力的不均一性严重限制了基于量子点的量子中继器的可扩展性。国内外研究团队发展了多种量子点生长后调节技术,成功调节量子点精细结构劈裂并通过联合多个调节自由度实现多维度的调节。本文综述了目前联合多个调节自由度实现发光波长和精细结构劈裂均能调控的实验方案,总结了不同方案的调节方法和研究现状,并介绍了将量子点与光学微腔相结合通过Purcell效应能进一步提升纠缠光源的性能。最后,对该领域的未来发展进行展望。

奇偶相干态信号场下的量子关联和纠缠

为了实现两原子之间的非经典关联,借助于电磁诱导光透明(electromagnetically induced optical transparency,EIT)机制,利用量子态的映射技术,研究原子系综内两原子的量子关联和纠缠。结果表明:分别通过测量扰动刻画的量子关联和并发度刻画的量子纠缠,发现它们都能够被绝热地生成,但是,随着平均光子数的增加,二者的演变完全不同。随着平均光子数的增加,无论信号场是奇数相干态还是偶数相干态,它们都有利于量子关联的生成。对于奇相干态信号场,量子纠缠随着光子数的增加而逐渐减小;对于偶相干态信号场,量子纠缠却经历了一个先增加后减小的过程。系综内原子个数的增加,使得原子间的退相干加剧,从而导致量子关联和纠缠都被削弱。

海森堡XYZ自旋链系统的热纠缠与局域量子不确定性研究

研究了热平衡温度,自旋交换相互作用,Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用及外加非一致性磁场对两比特海森堡XYZ自旋链量子系统的热纠缠与局域量子不确定度的影响,对比分析了并发度量子纠缠与局域量子不确定度描述自旋链系统量子关联的差别.结果表明自旋链系统的量子纠缠在热平衡温度,DM相互作用及外加磁场的非一致性参数的变化情况下均会出现纠缠突然死亡的再生现象,而自旋链系统的局域量子不确定度随着这些参数呈连续变化现象.并且,自旋交换相互作用,DM相互作用及外加横向磁场作用强度较小时,他们的变化对自旋链系统的量子纠缠与局域量子不确定度的影响有着明显的差别.

基于量子纠缠的主备倒换技术研究

针对互联网系统中主备倒换过程安全性不高的问题,文章提出一种基于量子纠缠的主备倒换方法,介绍工作原理和实现方案,并分析该方法的可行性和潜在优势。该方法在互为备份的两个服务节点上部署多对纠缠态量子对,量子测量后,根据测量结果确定下一个服务周期是否进行主备倒换,无需两个服务节点之间通信确认,提高了主备倒换过程中的安全性。

新纠缠辅助量子MDS码的构造

纠缠辅助量子纠错码是经典量子纠错码的推广,通过在接收者和发送者双方预先共享纠缠态的方式实现量子通信.由于预先共享纠缠态会造成额外的费用,如何构造具有较小预先共享纠缠态的纠缠辅助量子纠错码是一个有趣的问题.本文给出了有限域Fq2上一类负循环码是厄米特对偶包含码的充分条件,通过研究其分圆陪集的结构性质,确定了不同数目的预先共享纠缠态的存在条件,并结合纠缠辅助量子纠错码的构造方法,构造了一些新的具有较小预先共享纠缠态的纠缠辅助量子Maximum-Distance-Separable(MDS)码.

基于量子纠缠测量理论的电子支付协议设计

提出了一个基于量子力学基本理论的电子支付协议.经典支付系统存在部分漏洞,可能会带来安全隐患.利用纠缠粒子之间的关联性,实现签名、购买、支付等环节;使用量子单向函数和量子交换测试线路,验证签名的有效性;通过信道检测中的冗余粒子传输支付信息,节约成本.该方案在量子力学基本原理的保证下,具有无条件的安全性,符合支付系统的基本要求.

基于常循环码的纠缠辅助量子Maximum-Distance-Separable码的构造

纠缠辅助量子纠错码可以看作是经典量子纠错码的引申,其与经典量子纠错码的差别在于,如果发送者和接收者双方提前共享纠缠态,在不满足对偶包含的的情况下也可以由任意经典线性码构造出来.本文通过研究分圆陪集的结构性质,利用常循环码构造出几类新的具有较小预先共享纠缠态的纠缠辅助量子Maximum-Distance-Separable(MDS)码.

量子纠缠的单配性

与宏观物理世界不同,量子世界粒子之间的关联性作为物理资源其关联的强弱不可以任意分配。比如3量子比特A、B、C,若A与B处于极大纠缠态,则A与C之间不再有纠缠,把这一性质称为单配性。这一性质也是量子信息能够实现安全保密通信的原因之一。自2000年Coffman、Kundu和Wootters(CKW)首次给出纠缠单配性的数学定义以来,学者对这一性质进行了大量研究。基于此,该文系统地对目前研究结果进行梳理,主要对2018年给出的纠缠单配性新定义以及2019年基于新定义所得到的结论进行总结,并对量子关联度量多配性新定义及基于新定义得到的辅助纠缠的多配性讨论进行总结。结果表明,新定义对于研究单配性和多配性关系更加便捷,单配性关系取决于约化函数是否为严格凹函数,而辅助纠缠都满足多配性关系。研究结果为今后研究量子关联提供了新思路。

中国科学技术大学构建国际首个基于纠缠的城域量子网络

中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠,并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米整整提升了3个数量级至几十千米,为后续开展盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。相关研究成果于5月15日在线发表在国际学术期刊《Nature》杂志上。

适用于量子混合网络的量子多路纠缠分组交换方法

适用于量子混合网络的量子多路纠缠分组交换方法,首先将需要发送的量子报文,按照集中式路由计算得出的多路径资源进行匹配分组,然后采用虚电路方式并行建立端到端量子纠缠多路径,控制消息和测量结果采用分布式路由数据报方式传送,最终通过量子远程传态完成量子信息的端到端传递。这种方法将分组交换的两种技术虚电路和数据报结合使用,同时将集中式路由和分布式路由有机结合,形成了一种新的量子多路纠缠分组传输方法。该方法提高了网络资源利用率,达到多路并行、分流和缩短量子信息传送时间的效果。

调制光学参量放大器对双机械振子量子纠缠与压缩的影响

为了研究包含调制光参量放大器(optical parametric amplifier,OPA)的双机械振子腔光力系统中的量子纠缠和机械压缩,通过数值求解和解析求解,讨论了系统的有关参数,如OPA相位、调制频率、热声子数和相位增益量在腔光力系统中对量子纠缠和机械压缩的影响,重点分析了调制OPA对产生力学纠缠和机械压缩的作用.结果表明:本光学腔不需要额外的压缩光来驱动,并在较易实现的参数条件下通过调制OPA增强了2个机械振子间的纠缠.当系统处于稳定状态时,在边带可分辩和不可分辨条件下均可产生机械压缩,并可通过调制OPA在边带可分辨条件下实现强机械压缩.此外,在调制OPA的辅助下,机械振子间的纠缠和机械压缩对环境温度具有很强的鲁棒性.

量子电池和充电器间的纠缠对充放电能量的影响

量子电池是近些年物理学界在量子信息理论基础上提出的重要研究课题,具有重要的理论和实际意义。本文通过研究充电器与量子电池初始处于纠缠态时,系统充放电能量的演化过程表明,纠缠态对系统充放电及量子电池最大输出功起重要的积极作用。纠缠最大时,充电器和量子电池充放电最大,并且量子电池最大功也最大。本文的结果对量子电池的研究具有及其重要的指导意义。

国际首个基于纠缠的城域量子网络成功构建

据报道,中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠,并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米提升至几十千米,为后续开展盲量子计算、分布式量子计算和量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了基础。相关成果于2024年5月15日在线发表于国际学术期刊《自然》上。基于量子网络,可以实现广域量子密钥分发,以及分布式量子计算和量子传感,构建量子互联网的技术基础。

顶夸克间存在量子纠缠首获证实

欧洲核子研究中心(CERN:European Organization for Nuclear Research)紧凑缪子线圈(CMS:Compact Muon Solenoid)实验合作组织报告称,他们首次确认了已知最重的基本粒子顶夸克之间的量子纠缠,为探索世界的量子本质提供了新视角。相关论文发表于最新一期《CMS物理分析总结》杂志上。量子纠缠是一种奇怪的量子现象:即使两个粒子相距甚远,它们也能紧密地相互关联。当两个粒子处于两种或更多不同状态的叠加态时,就会发生这种情况。测量一对纠缠粒子中一个粒子的性质,如位置、动量或自旋等,会立即影响另一个粒子的状态。

量子纠缠条件下古诺博弈模型均衡解的动态演化分析

利用量子博弈与非线性动力理论,构建了有限理性预期下的动态量子古诺博弈模型,分析了量子纠缠对均衡解稳定性的影响.结果发现:量子纠缠能降低均衡解的稳定性,企业产量调整速度达到某一阈值会导致该系统进入混沌状态,纠缠度增加了系统的混沌状态.最后通过数值模拟验证了理论的正确性.

中华传统文化中的“量子纠缠”及其对管理哲学的启示

2022年诺贝尔物理学奖颁发给了三位量子物理学家以表彰他们验证了量子纠缠现象的存在。物理学界争执多年的“量子纠缠”现象在科学上终于得以证实,标志着量子力学变成不得不被接受的世界观。然而,尽管“量子纠缠”现象被实验证明,但至今无论是物理学界还是哲学界仍然未能全面理解“量子纠缠”的本质,致使量子力学的哲学基础探讨虽然从未间断但尚未确立。研究发现“量子纠缠”在中华经典中素有古论。研究提出量子力学的哲学基础构建只需要回归中华传统文化,对其进行创造性转化,无须重建,以此确立量子力学乃至整个科学(包括管理学)的哲学基础。在此背景下“量子纠缠”引发的哲学挑战,管理哲学不得不反思所面临的革命及从中华传统文化中得到的启示。

量子纠缠光纤陀螺的态演变和偏振互易性分析

量子纠缠光纤陀螺仪利用非经典光量子态的光子纠缠特性,对载体角运动引起的Sagnac相移进行超高灵敏度测量。Fink团队在2019年最早报道了基于共线型正交偏振纠缠光子对的量子纠缠光纤陀螺仪,得到突破散粒噪声极限的实验测量结果,但并未给出光量子态经历光纤陀螺各环节的具体演变过程。因此,针对Fink的光路结构,首次对量子纠缠光纤陀螺仪中量子态及算符的动力学演变以及相位检测灵敏度进行了理论分析,证实该光路结构基本上可达到2002态量子纠缠光纤陀螺仪的海森堡极限,同时研究发现,Fink的光路结构由于感生双折射引起的相位误差寄生在Sagnac相移中,实际上是一种偏振非互易性光路结构,会严重削弱相位检测灵敏度。基于此,设计了一种具有偏振互易性的量子纠缠光纤陀螺仪光路结构,光子源为非共线型自发参量向下转换(SPDC)产生的正交偏振纠缠光子对,线圈中的光量子态为i(1_(CCM-H))1_(CW-H)1_(CW-V))/√2理论研究证明,该结构不存在任何偏振非互易性相位误差。

N量子比特系统的纠缠判据

在前文(2019 Int. J.Mod.Phys.B 33 1950197;2020 Int.J.Mod.Phys.B 34 2050022)中,我们提出了一种判断2量子比特系统纠缠的方法,2量子比特系统可分的充分必要条件是相关系数为正且主密度矩阵可分,否则系统纠缠.在本文中,通过数值计算与讨论,先将2量子比特系统纠缠判据的方法推广到3量子比特系统中去;接着,继续将3量子比特系统推广到N量子比特系统中去.这是一个复杂而有趣的问题.

基于高维纠缠态的量子密钥分发协议

为了提高量子密钥分发的效率和安全性,利用高维Hilbert空间中的Bell态和Hadamard门设计了一种量子密钥分发协议。首先通过量子态的动态演变验证了三维Bell纠缠态在Z基和X基下具有不同的表示特性,然后以此为基础进行协议设计,其中利用Z基测量来检测窃听,利用X基测量来产生密钥。安全性分析表明,该协议可以抵抗截获重发、纠缠附加粒子和特洛伊木马三种常见的攻击。最后将协议与其他方案进行了比较,该协议在保证量子比特效率50%的基础上,安全性也有所提升。

量子纠缠带来的科学思考

实验证明贝尔不等式不成立,隐变量不存在,量子力学是非定域的。但这并不表明爱因斯坦追求的实在论是错误的,量子现象背后的物理实在不存在。隐变量不存在,表明爱因斯坦为量子客体的位置不确定性所找的原因需要重新考虑。爱因斯坦反对哥本哈根位置不确定性来源于量子客体的“本性”是对的。微观客体不是“点”,有一定的空间发布,量子客体位置不确定性来源于其空间分布和场物质密度分布,这才是量子客体位置不确定性的真实来源。双四维时空协变量子力学基础对此有很全面的论述。