基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法
基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及量子信息、通信网络、新型光通信技术领域，更具体地说，本发明设及 一种基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法。
【背景技术】
[0002] 量子通信是近年来兴起的一种新型通信方式。通过将信息编码于具有量子特性的 物理系统，利用系统状态的量子特性，例如量子纠缠、测量塌缩、量子态不可克隆等，使得量 子通信过程较经典通信更加的安全，高效，抗干扰。目前人们提出了各种有意思的量子通信 方案，例如量子隐形传态，量子秘钥分配，远程态制备，量子秘密共享等。运些通信方案可W 在光学系统、核磁共振系统、量子点系统、腔电动力学系统等物理系统中实现。
[0003] 在运些系统中，腔犯D(quantum elechodynamics，量子电动力学）系统得到了更 多的关注，因为一般来说人们普遍认为原子是比较理想的信息存储器，光子是信息交换的 媒介，而腔恰恰为原子和光子的相互作用提供了一个良好的平台。考虑到腔犯D独有的优 势，人们开始在理论和实验上研究如何在该体系中实现各种量子信息过程[1]-[11]。但是 对于量子通信领域中的一个新兴的发展方向一一远程态制备，在W往的工作中却设及不多
[12]-[15]〇
[0004] 假设在某些信息处理过程之后，例如，在一次量子秘密共享之后，描述一个秘密量 子比特内容的经典信息被拆分并分布于量子网络的不同节点。也就是说，每一个节点只掌 握了秘密量子比特态的一部分信息;没有任何一个节点拥有运个秘密量子比特的全部的信 息，可W独立地恢复秘密量子比特的信息。现在的问题是如何能够在一个新的节点重建秘 密信息。为此提出了多方联合远程制备量子态的方法[1]-[11]。运些方法分别利用了不同 的量子纠缠态作为量子信息的传输通道，完成对不同类型的量子比特态的联合远程制备任 务。但是，运些研究工作仅仅从数学的层面提出了对量子比特态进行多方联合远程制备的 方法，而没有针对具体的物理系统提出在实践中具有可操作性的方案。少数的研究者提出 来的实验方案[11][12]都是W单光子作为信息的载体，而单光子在实际的操作中往往很容 易受到环境的影响并煙灭。
[000引目前对于远程态制备的实验方案，主要是在光子系统进行探讨。虽然光子传输速 度快，但是消相干时间短，在实际的物理环境中容易煙灭。并且，远程制备量子态的过程中 并不需要将信息的载体进行传输，而是要对信息的载体进行适当的操作。由此可见，光子系 统并不是完成远程态制备的理想物理系统。此外，虽然有少数基于原子纠缠态的远程态制 备实验方案，但其中大部分的方案都仅限于一位发送者和一位接受者，而目前量子通信正 在向网络化的方向发展，通信协议需要考虑到有多位参与者的情况。
[0006] <参考文献〉
[0007 ] [1]L.Davidovich,N.Zagury,M.Brune,J.M.Raimond,and S.Haroche. Teleportation of an atomic state between two cavities using nonlocal microwave fields,Phys.Rev.A,50,895(1994).
[0008] [2]J.I.Cirac and A.S. Parkins .，Teleportation of an atomic state between two cavities using nonlocal micro-wave fields，Phys.民ev.A 50,4441 (1994).
[0009] [3]S.B.Zheng and G.C.Guo.,Efficient Scheme for two-atom entanglement and quantum information processing in Cavity QED,Phys.民ev.Lett.85,2392(2000).
[0010] [4]J.M.民aimond，M.Brune，and S.Haroche.，Manipulating quantum entanglement with atoms and photons in a cavity,民ev.Mod.Phys.73,565(2001).
[0011] [5]S.B.Zheng.,Generation of entangled states for many multilevel atoms in a thermal cavity and ions in the thermal motion,Phys.民ev.A 68,035801 (2003).
[0012] [6]C·Bonato，F·Haupt，S·S·R·Oemrawsingh，et al·CNOT and Bell-state analysis in the weak-coupling cavity QED regime，Phys.民ev. Lett.104，160503 (2010).
[0013] [7]S.D.Barrett,P.P.Rohde,T.M.Stace,Scalable quantum computing with atomic ensembles,New J.Phys.12,093032(2010)·
[0014] [8]C-P Yang,Q-P Su,and S.Han,Generation of Greenberger-Horne-Zeilinger entangled states of photons in multiple cavities via a superconducting qutrit or an atom through resonant interaction,Phy.民ev.A 86， 022329(2012).
[0015] [9]S.B.Zheng,Simplified construction and physical realization of 打― qubit controlled phase gates,Phys.Rev.A 86,012326(2012).
[0016] [10]H.民.Wei，F.G.Deng,Universal quantum gates for hybrid systems assisted by quantum dots inside double-sided optical micro-cavities, Phys.Rev.A 87,022305(2013).
[0017] [11]Y.Liu,Scheme for the preparation of macroscopic W-type state of atomic ensembles in cavity QED coupled with optical fibers ,Sci. Chin.-Phys.Mech Astron 56,2122(2013).
[0018] [12]L.Ye，Y-C Ma，and G-C Guo,民emote state preparation of quantum state via cavity QED,Int.J.Quantum Information 3,475(2005).
[0019] [13]X-B Xu and J-M Liu,Probabilistic remote preparation of a three-atom Greenberger-Horne-Zeilinger class state via cavity quantum electrodynamics，化11· J.Phys.84,1089(2006).
[0020] [14]X_W Wang and Z-H Pen,Scheme for implementing perfect remote state pr邱aration with W-class state in cavity 犯D，Qiin.Phys.B 17,2346(2008)·
[0021] [15]H.K.Ashfaq,民ameez-ul-lslam，and S.Farhan，民emote preparation of atomic and field cluster states from a pair of tripartite GHZ states, Chin.Phys.B 19,040309(2010).
【发明内容】
[0022] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够从实 际的可操作性出发，提出由一个多方参与的，W两能级原子作为信息的载体，利用两能级原 子与经典电磁场之间的相互作用，通过一个Ξ原子W型纠缠态和一个量原子纠缠态组成的 量子信息传输信道，完成对两原子量子比特态的远程态制备的方法。
[0023] 为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种基于腔量子电动力学技术的远 程制备两原子纠缠态的方法，其中一位发送者将协助两位接收者中的一位建立I Φ >=曰 gg>+i3|ee>形式的两原子纠缠态，其中|肖>和|6>分别表示两能级原子的基态和激发态， 参数α和β为实数，且满足条件α 2+护=1;发送者掌握着运个量子态的信息，两位接收者不知 道量子态的信息；为了完成传送信息的任务，发送者在其和两位接收者之间建立起一个两 原子纠缠态和一个Ξ原子W类纠缠态作为量子信道
[0026] 其中原子1和4属于发送者，原子2和3分别属于第一接收者和第二接收者，而原子5 交给最终的接收者。
[0027] 优选地，所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法包括：
[0028] 第一步骤，发送者预先制备一个单模腔Α，其中腔场的频率与两能级原子的跃迁频 率之间的失谐量为δ，原子-腔禪合系数为ε;同时引入一个强经典场驱动原子，经典场的频 率与原子跃迁频率相同，经典场的拉比频率为Ω ;发送者设置各器件的参数满足条件Ω > >δ>>ε，随后将原子1和原子4注入单模腔Α，发送者根据所拥有的被传送量子态的信息， 控制原子飞行时间τ，使其满足条件
同时，调节经典场的拉比频率满足条 件 Ω τ = π;
[0029] 第二步骤，完成第一步骤后，Ξ个原子所组成的系统的量子态将演化至如下形式：
[0030]
[0031] 此时，发送者分别对其所拥有的原子1和原子4进行测量，判断原子处于基态|g> 还是激发态|e>;
[0032] 第Ξ步骤，发送者在两位接收者中选择一位作为最终的接收者，将原子1和原子4 的测量结果通过经典信道发送给第一发送者和第二发送者，并将原子5分配给最终的接收 者；
[0033] 第四步骤，另一位接收者对自己手中的原子进行测量，并将测量结果通过经典信 道告知最终的接收者；
[0034] 第五步骤，最终的接收者根据来自发送者和另一位接收者的经典信息，判断是否 完成了远程态制备的任务。
[0035] 优选地，第五步骤包括:如果另一位接收者的原子处于激发态I e>，则最终的接收 者不重建被传送量子态。
[0036] 优选地，第五步骤包括:如果另一位接收者的原子处于基态|g>，则最终的接收者 通过单原子操作，完成远程态制备的任务
[0037] 进一步优选地，若发送者的原子处于|ge>l，4或|eg>l，4态，则最终的接收者直 接得到被传送量子态；
[0038] 若发送者的 原子处于I gg> 1，4或I ee> 1，4态，则最终的接受者利用经典场完成一 次单原子操作，W重建被传送量子态。
[0039] 本发明提出了一个W两能级原子为信息载体的，设及到Ξ位参与者的两原子纠缠 态的远程态制备方法。该方法中，一位发送者可W将被传送量子态发送给两位接收者中的 任意一位，同时另一位接收者扮演了控制者的角色，增加了通信的安全性;该方法设及到的 技术主要是，目前实验上较为成熟的利用腔场与两能级原子相互作用，实现对原子状态进 行操控的技术，具有实际的可操作性；同时，采用了Ξ原子W型纠缠态作为量子通道，能够提 高通信的抗噪声性能。
【附图说明】
[0040] 结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
[0041] 图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于腔量子电动力学技术的远程制 备两原子纠缠态的方法的流程图。
[0042] 需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可 能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
【具体实施方式】
[0043] 为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内 容进行详细描述。
[0044] 本发明基于下述构思：
[004引（1) 一位发送者可W选择两位接受者中的任何一位，将被传送量子态传送过去；
[0046] (2)两位接收者中的任何一位要重建被传送量子态，都需要另一位接受者的协助， 因此可W把另一位接受者看作是控制者；
[0047] (3)量子信息传输的通道之一是一个Ξ个原子之间的W型纠缠，运使得量子信道能 够很好的抵抗环境噪声；
[0048] (4)原子的状态代表着信息。利用两能级原子与腔场之间的相互作用，可W实现对 原子状态的操控，亦即完成对信息的处理；
[0049] (5)本方案利用原子与腔场之间的大失谐相互作用，原子与腔模之间没有能量交 换，系统的演化对腔衰减和热场均不敏感。
[0050] 下面将具体描述本发明的实施例。
[0051] 相应地，图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于腔量子电动力学技术 的远程制备两原子纠缠态的方法的流程图。其中，根据本发明优选实施例的基于腔量子电 动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法基于单个两能级原子与经典电磁场之间的相 互作用。
[0052] 本发明所采用的技术方案中设及Ξ位空间上分隔开的参与者，一位发送者Alice 要帮助两位接收者Bob和化rol中的一位建立起形如下式的两原子纠缠态：
[0053] I Φ > 二日 I gg>+0 I ee>
[0054] 其中I曰>和I 6>分别表示两能级原子的基态和激发态，参数α和β为实数，且满足 条件α2+护=1。发送者Alice掌握着运个量子态的准确信息，但是接收者Bob和化rol对该量 子态却是一无所知。为了完成传送信息的任务，Alice在她和两位接收者之间建立起一个两 原子纠缠态和一个Ξ原子W类纠缠态作为量子信道
[0057] 其中原子1和4属于发送者Alice，原子2和3分别属于接收者Bob和Carol，而原子5 交给最终的接收者(Bob或者化rol)。
[0058] 为了完成量子态的发送，Ξ位参与者的具体步骤如下：
[0059] 第一步骤S1，发送者Alice需要预先制备一个单模腔A，其中腔场的频率与两能级 原子的跃迁频率之间的失谐量为δ，原子-腔禪合系数为ε。同时引入一个强经典场驱动原 子，经典场的频率与原子跃迁频率相同，经典场的拉比频率为Ω。发送者设置各器件的参数 满足条件Ω>>δ>>ε。随后将原子1和原子4注入单模腔Α，发送者根据所拥有的被传送量 子态的信息，控制原子飞行时间τ，使其满足条件
司时，调节经典场的拉比 频率满足条件Ω τ = π。
[0060] 第二步骤S2,完成第一步骤S1后，Ξ个原子所组成的系统的量子态将演化至如下 形式：
[0061]
[0062]此时，发送者分别对其所拥有的原子1和原子4进行测量，判断原子处于基态|g> 或激发态|e>。
[0063] 第Ξ步骤S3,发送者要在两位接收者中选择一位作为最终的接收者，将原子1和原 子4的测量结果通过经典信道发送给他/她，并将原子5分配给最终的接收者(Bob/化rol)。
[0064] 第四步骤S4,另一位接收者(Carol/Bob)(即，两位接收者中非最终的接收者的那 个接收者)对自己手中的原子(3/2)进行测量，并将测量结果通过经典信道告知最终的接收 者（Bob/hrol)。
[0065] 第五步骤S5,最终的接收者(Bob/Carol)根据来自发送者和另一位接收者的经典 信息，判断是否完成了远程态制备的任务。
[0066] 如果另一位接收者（Carol/Bob)的原子（3/2)处于激发态|e>，则最终的接收者 (Bob/化ro 1)无法重建被传送量子态。
[0067] 反之，如果另一位接收者(Carol/Bob)的原子(3/2)处于基态|g>，则最终的接收 者(Bob/化rol)可W通过单原子操作，完成远程态制备的任务。此时，
[0068]若发送者手中的原子处于I ge>l，4或I eg>l，4态，则最终的接收者(Bob/Carol) 直接得到了被传送量子态；
[0069]若发送者的原子处于I gg>l，4或I ee>l，4态，则最终的接受者(Bob/Carol)需要 利用一个经典场完成一次单原子操作，重建被传送量子态。
[0070] 本发明至少具有如下技术效果：
[0071] (1)相对于光子系统，原子系统的量子态具有更长的消相干时间，或者说更加的稳 定，因而通常被认为是理想的固定比特。运使得其比光子更适合于远程制备过程。因为在远 程制备量子态的过程中，作为信息载体的物理系统是不需要传输到其他位置的，而仅需要 在本地对其进行操作。因此我们采用了两能级原子作为信息的载体；
[0072] (2)目前大部分的远程态制备的实验方案中都仅仅考虑了一位发送者和一位接收 者的情况，没有考虑到有多位通信参与者的情况。本方案中有Ξ位参与者，一位发送者，一 位接收者和一位控制者，其中接收者和控制者两者的地位是等价的，可W由发送者根据具 体的情况决定他们最终的任务；
[0073] (3)本发明的方法采用Ξ原子组成的W型纠缠态作为量子信息传输的信道之一。目 前的研究表明，对于Ξ体纠缠态，W型纠缠表现出更高的鲁棒性和更强的非经典特性，从而 使其被认为是量子信息处理中理想的纠缠资源。因而，本方法提高了通信过程的抗干扰能 力。
[0074] 由此，本发明提供了一种能够从实际的可操作性出发，提出由一个多方参与的，W 两能级原子作为信息的载体，利用两能级原子与经典电磁场之间的相互作用，通过一个Ξ 原子W型纠缠态和一个量原子纠缠态组成的量子信息传输信道，完成对两原子量子比特态 的远程态制备的方法。
[0075] 此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语"第一"、"第 二"、"第Ξ"等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个 组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
[0076] 可W理解的是，虽然本发明已W较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用W 限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述掲示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等 同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 W上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围 内。
【主权项】
1. 一种基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法，所述方法用于使得 一位发送者协助两位接收者中的一位建立I φ > = a I gg>+01 ee> 形式的两原子纠缠态，其中I 8>和I e>*别表示两能级原子的基态和激发态，参数α和 β为实数，且满足条件α2+β2=1;其中发送者掌握着这个量子态的信息，两位接收者未获知量 子态的信息；为了完成传送信息的任务，发送者在其和两位接收者之间建立起一个两原子 纠缠态和一个三原子W类纠缠态作为量子信道：其中原子1和4属于发送者，原子2和3分别属于第一接收者和第二接收者，而原子5交给 最终的接收者。2. 根据权利要求1所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法， 其特征在于包括： 第一步骤，发送者制备一个单模腔Α，其中腔场的频率与两能级原子的跃迀频率之间的 失谐量为S，原子-腔耦合系数为ε;而且引入一个强经典场驱动原子，经典场的频率与原子 跃迀频率相同，经典场的拉比频率为Ω ;并且，发送者设置各器件的参数满足条件Ω > >δ >>S随后将原子1和原子4注入单模腔Α，发送者根据所拥有的被传送量子态的信息，控制 原子飞行时间τ，使其满足条件同时，调节经典场的拉比频率满足条件Ω T=JI; 第二步骤，完成第一步骤后，三个原子所组成的系统的量子态将演化至如下形式：此时，发送者对其所拥有的两个原子进行测量，判断原子处于基态I g>还是激发态I e >; 第三步骤，发送者在两位接收者中选择一位作为最终的接收者，将原子1和原子4的测 量结果通过经典信道发送给最终的接收者，并将原子5分配给最终的接收者； 第四步骤，另一位接收者对自己手中的原子进行测量，并将测量结果通过经典信道告 知最终的接收者； 第五步骤，最终的接收者根据来自发送者和另一位接收者的经典信息，判断是否完成 了远程态制备的任务。3. 根据权利要求1或2所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方 法，其特征在于第五步骤包括:如果另一位接收者的原子处于激发态I e>，则最终的接收者 不能重建被传送量子态。4. 根据权利要求1或2所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方 法，其特征在于，第五步骤包括:如果另一位接收者的原子处于基态I g>，则最终的接收者 通过单原子操作，完成远程态制备的任务。5. 根据权利要求4所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法， 其特征在于，若发送者的原子处于I ge>h4或I eg>i,4态，则最终的接收者直接得到被传送 量子态； 若发送者的原子处于|gg>h4或I ee>i,4态，则最终的接受者利用经典场完成一次单原 子操作，以重建被传送量子态。
【专利摘要】本发明提供了一种基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法。一位发送者将协助两位接收者中的一位建立|φ＞＝α|gg＞+β|ee＞形式的两原子纠缠态，其中|g＞和|e＞分别表示两能级原子的基态和激发态，参数α和β为实数，且满足条件α2+β2＝1；发送者掌握着这个量子态的信息，两位接收者不知道量子态的信息；为了完成传送信息的任务，发送者在其和两位接收者之间建立起一个两原子纠缠态和一个三原子W类纠缠态作为量子信道。
【IPC分类】H04B10/70
【公开号】CN105490750
【申请号】CN201510819794
【发明人】任远, 肖骁琦
【申请人】上海电机学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月23日...
【技术领域】
[0001] 本发明设及量子信息、通信网络、新型光通信技术领域，更具体地说，本发明设及 一种基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法。
【背景技术】
[0002] 量子通信是近年来兴起的一种新型通信方式。通过将信息编码于具有量子特性的 物理系统，利用系统状态的量子特性，例如量子纠缠、测量塌缩、量子态不可克隆等，使得量 子通信过程较经典通信更加的安全，高效，抗干扰。目前人们提出了各种有意思的量子通信 方案，例如量子隐形传态，量子秘钥分配，远程态制备，量子秘密共享等。运些通信方案可W 在光学系统、核磁共振系统、量子点系统、腔电动力学系统等物理系统中实现。
[0003] 在运些系统中，腔犯D(quantum elechodynamics，量子电动力学）系统得到了更 多的关注，因为一般来说人们普遍认为原子是比较理想的信息存储器，光子是信息交换的 媒介，而腔恰恰为原子和光子的相互作用提供了一个良好的平台。考虑到腔犯D独有的优 势，人们开始在理论和实验上研究如何在该体系中实现各种量子信息过程[1]-[11]。但是 对于量子通信领域中的一个新兴的发展方向一一远程态制备，在W往的工作中却设及不多
[12]-[15]〇
[0004] 假设在某些信息处理过程之后，例如，在一次量子秘密共享之后，描述一个秘密量 子比特内容的经典信息被拆分并分布于量子网络的不同节点。也就是说，每一个节点只掌 握了秘密量子比特态的一部分信息;没有任何一个节点拥有运个秘密量子比特的全部的信 息，可W独立地恢复秘密量子比特的信息。现在的问题是如何能够在一个新的节点重建秘 密信息。为此提出了多方联合远程制备量子态的方法[1]-[11]。运些方法分别利用了不同 的量子纠缠态作为量子信息的传输通道，完成对不同类型的量子比特态的联合远程制备任 务。但是，运些研究工作仅仅从数学的层面提出了对量子比特态进行多方联合远程制备的 方法，而没有针对具体的物理系统提出在实践中具有可操作性的方案。少数的研究者提出 来的实验方案[11][12]都是W单光子作为信息的载体，而单光子在实际的操作中往往很容 易受到环境的影响并煙灭。
[000引目前对于远程态制备的实验方案，主要是在光子系统进行探讨。虽然光子传输速 度快，但是消相干时间短，在实际的物理环境中容易煙灭。并且，远程制备量子态的过程中 并不需要将信息的载体进行传输，而是要对信息的载体进行适当的操作。由此可见，光子系 统并不是完成远程态制备的理想物理系统。此外，虽然有少数基于原子纠缠态的远程态制 备实验方案，但其中大部分的方案都仅限于一位发送者和一位接受者，而目前量子通信正 在向网络化的方向发展，通信协议需要考虑到有多位参与者的情况。
[0006] <参考文献〉
[0007 ] [1]L.Davidovich,N.Zagury,M.Brune,J.M.Raimond,and S.Haroche. Teleportation of an atomic state between two cavities using nonlocal microwave fields,Phys.Rev.A,50,895(1994).
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[0009] [3]S.B.Zheng and G.C.Guo.,Efficient Scheme for two-atom entanglement and quantum information processing in Cavity QED,Phys.民ev.Lett.85,2392(2000).
[0010] [4]J.M.民aimond，M.Brune，and S.Haroche.，Manipulating quantum entanglement with atoms and photons in a cavity,民ev.Mod.Phys.73,565(2001).
[0011] [5]S.B.Zheng.,Generation of entangled states for many multilevel atoms in a thermal cavity and ions in the thermal motion,Phys.民ev.A 68,035801 (2003).
[0012] [6]C·Bonato，F·Haupt，S·S·R·Oemrawsingh，et al·CNOT and Bell-state analysis in the weak-coupling cavity QED regime，Phys.民ev. Lett.104，160503 (2010).
[0013] [7]S.D.Barrett,P.P.Rohde,T.M.Stace,Scalable quantum computing with atomic ensembles,New J.Phys.12,093032(2010)·
[0014] [8]C-P Yang,Q-P Su,and S.Han,Generation of Greenberger-Horne-Zeilinger entangled states of photons in multiple cavities via a superconducting qutrit or an atom through resonant interaction,Phy.民ev.A 86， 022329(2012).
[0015] [9]S.B.Zheng,Simplified construction and physical realization of 打― qubit controlled phase gates,Phys.Rev.A 86,012326(2012).
[0016] [10]H.民.Wei，F.G.Deng,Universal quantum gates for hybrid systems assisted by quantum dots inside double-sided optical micro-cavities, Phys.Rev.A 87,022305(2013).
[0017] [11]Y.Liu,Scheme for the preparation of macroscopic W-type state of atomic ensembles in cavity QED coupled with optical fibers ,Sci. Chin.-Phys.Mech Astron 56,2122(2013).
[0018] [12]L.Ye，Y-C Ma，and G-C Guo,民emote state preparation of quantum state via cavity QED,Int.J.Quantum Information 3,475(2005).
[0019] [13]X-B Xu and J-M Liu,Probabilistic remote preparation of a three-atom Greenberger-Horne-Zeilinger class state via cavity quantum electrodynamics，化11· J.Phys.84,1089(2006).
[0020] [14]X_W Wang and Z-H Pen,Scheme for implementing perfect remote state pr邱aration with W-class state in cavity 犯D，Qiin.Phys.B 17,2346(2008)·
[0021] [15]H.K.Ashfaq,民ameez-ul-lslam，and S.Farhan，民emote preparation of atomic and field cluster states from a pair of tripartite GHZ states, Chin.Phys.B 19,040309(2010).
【发明内容】
[0022] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够从实 际的可操作性出发，提出由一个多方参与的，W两能级原子作为信息的载体，利用两能级原 子与经典电磁场之间的相互作用，通过一个Ξ原子W型纠缠态和一个量原子纠缠态组成的 量子信息传输信道，完成对两原子量子比特态的远程态制备的方法。
[0023] 为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种基于腔量子电动力学技术的远 程制备两原子纠缠态的方法，其中一位发送者将协助两位接收者中的一位建立I Φ >=曰 gg>+i3|ee>形式的两原子纠缠态，其中|肖>和|6>分别表示两能级原子的基态和激发态， 参数α和β为实数，且满足条件α 2+护=1;发送者掌握着运个量子态的信息，两位接收者不知 道量子态的信息；为了完成传送信息的任务，发送者在其和两位接收者之间建立起一个两 原子纠缠态和一个Ξ原子W类纠缠态作为量子信道
[0026] 其中原子1和4属于发送者，原子2和3分别属于第一接收者和第二接收者，而原子5 交给最终的接收者。
[0027] 优选地，所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法包括：
[0028] 第一步骤，发送者预先制备一个单模腔Α，其中腔场的频率与两能级原子的跃迁频 率之间的失谐量为δ，原子-腔禪合系数为ε;同时引入一个强经典场驱动原子，经典场的频 率与原子跃迁频率相同，经典场的拉比频率为Ω ;发送者设置各器件的参数满足条件Ω > >δ>>ε，随后将原子1和原子4注入单模腔Α，发送者根据所拥有的被传送量子态的信息， 控制原子飞行时间τ，使其满足条件
同时，调节经典场的拉比频率满足条 件 Ω τ = π;
[0029] 第二步骤，完成第一步骤后，Ξ个原子所组成的系统的量子态将演化至如下形式：
[0030]
[0031] 此时，发送者分别对其所拥有的原子1和原子4进行测量，判断原子处于基态|g> 还是激发态|e>;
[0032] 第Ξ步骤，发送者在两位接收者中选择一位作为最终的接收者，将原子1和原子4 的测量结果通过经典信道发送给第一发送者和第二发送者，并将原子5分配给最终的接收 者；
[0033] 第四步骤，另一位接收者对自己手中的原子进行测量，并将测量结果通过经典信 道告知最终的接收者；
[0034] 第五步骤，最终的接收者根据来自发送者和另一位接收者的经典信息，判断是否 完成了远程态制备的任务。
[0035] 优选地，第五步骤包括:如果另一位接收者的原子处于激发态I e>，则最终的接收 者不重建被传送量子态。
[0036] 优选地，第五步骤包括:如果另一位接收者的原子处于基态|g>，则最终的接收者 通过单原子操作，完成远程态制备的任务
[0037] 进一步优选地，若发送者的原子处于|ge>l，4或|eg>l，4态，则最终的接收者直 接得到被传送量子态；
[0038] 若发送者的 原子处于I gg> 1，4或I ee> 1，4态，则最终的接受者利用经典场完成一 次单原子操作，W重建被传送量子态。
[0039] 本发明提出了一个W两能级原子为信息载体的，设及到Ξ位参与者的两原子纠缠 态的远程态制备方法。该方法中，一位发送者可W将被传送量子态发送给两位接收者中的 任意一位，同时另一位接收者扮演了控制者的角色，增加了通信的安全性;该方法设及到的 技术主要是，目前实验上较为成熟的利用腔场与两能级原子相互作用，实现对原子状态进 行操控的技术，具有实际的可操作性；同时，采用了Ξ原子W型纠缠态作为量子通道，能够提 高通信的抗噪声性能。
【附图说明】
[0040] 结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
[0041] 图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于腔量子电动力学技术的远程制 备两原子纠缠态的方法的流程图。
[0042] 需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可 能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
【具体实施方式】
[0043] 为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内 容进行详细描述。
[0044] 本发明基于下述构思：
[004引（1) 一位发送者可W选择两位接受者中的任何一位，将被传送量子态传送过去；
[0046] (2)两位接收者中的任何一位要重建被传送量子态，都需要另一位接受者的协助， 因此可W把另一位接受者看作是控制者；
[0047] (3)量子信息传输的通道之一是一个Ξ个原子之间的W型纠缠，运使得量子信道能 够很好的抵抗环境噪声；
[0048] (4)原子的状态代表着信息。利用两能级原子与腔场之间的相互作用，可W实现对 原子状态的操控，亦即完成对信息的处理；
[0049] (5)本方案利用原子与腔场之间的大失谐相互作用，原子与腔模之间没有能量交 换，系统的演化对腔衰减和热场均不敏感。
[0050] 下面将具体描述本发明的实施例。
[0051] 相应地，图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于腔量子电动力学技术 的远程制备两原子纠缠态的方法的流程图。其中，根据本发明优选实施例的基于腔量子电 动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法基于单个两能级原子与经典电磁场之间的相 互作用。
[0052] 本发明所采用的技术方案中设及Ξ位空间上分隔开的参与者，一位发送者Alice 要帮助两位接收者Bob和化rol中的一位建立起形如下式的两原子纠缠态：
[0053] I Φ > 二日 I gg>+0 I ee>
[0054] 其中I曰>和I 6>分别表示两能级原子的基态和激发态，参数α和β为实数，且满足 条件α2+护=1。发送者Alice掌握着运个量子态的准确信息，但是接收者Bob和化rol对该量 子态却是一无所知。为了完成传送信息的任务，Alice在她和两位接收者之间建立起一个两 原子纠缠态和一个Ξ原子W类纠缠态作为量子信道
[0057] 其中原子1和4属于发送者Alice，原子2和3分别属于接收者Bob和Carol，而原子5 交给最终的接收者(Bob或者化rol)。
[0058] 为了完成量子态的发送，Ξ位参与者的具体步骤如下：
[0059] 第一步骤S1，发送者Alice需要预先制备一个单模腔A，其中腔场的频率与两能级 原子的跃迁频率之间的失谐量为δ，原子-腔禪合系数为ε。同时引入一个强经典场驱动原 子，经典场的频率与原子跃迁频率相同，经典场的拉比频率为Ω。发送者设置各器件的参数 满足条件Ω>>δ>>ε。随后将原子1和原子4注入单模腔Α，发送者根据所拥有的被传送量 子态的信息，控制原子飞行时间τ，使其满足条件
司时，调节经典场的拉比 频率满足条件Ω τ = π。
[0060] 第二步骤S2,完成第一步骤S1后，Ξ个原子所组成的系统的量子态将演化至如下 形式：
[0061]
[0062]此时，发送者分别对其所拥有的原子1和原子4进行测量，判断原子处于基态|g> 或激发态|e>。
[0063] 第Ξ步骤S3,发送者要在两位接收者中选择一位作为最终的接收者，将原子1和原 子4的测量结果通过经典信道发送给他/她，并将原子5分配给最终的接收者(Bob/化rol)。
[0064] 第四步骤S4,另一位接收者(Carol/Bob)(即，两位接收者中非最终的接收者的那 个接收者)对自己手中的原子(3/2)进行测量，并将测量结果通过经典信道告知最终的接收 者（Bob/hrol)。
[0065] 第五步骤S5,最终的接收者(Bob/Carol)根据来自发送者和另一位接收者的经典 信息，判断是否完成了远程态制备的任务。
[0066] 如果另一位接收者（Carol/Bob)的原子（3/2)处于激发态|e>，则最终的接收者 (Bob/化ro 1)无法重建被传送量子态。
[0067] 反之，如果另一位接收者(Carol/Bob)的原子(3/2)处于基态|g>，则最终的接收 者(Bob/化rol)可W通过单原子操作，完成远程态制备的任务。此时，
[0068]若发送者手中的原子处于I ge>l，4或I eg>l，4态，则最终的接收者(Bob/Carol) 直接得到了被传送量子态；
[0069]若发送者的原子处于I gg>l，4或I ee>l，4态，则最终的接受者(Bob/Carol)需要 利用一个经典场完成一次单原子操作，重建被传送量子态。
[0070] 本发明至少具有如下技术效果：
[0071] (1)相对于光子系统，原子系统的量子态具有更长的消相干时间，或者说更加的稳 定，因而通常被认为是理想的固定比特。运使得其比光子更适合于远程制备过程。因为在远 程制备量子态的过程中，作为信息载体的物理系统是不需要传输到其他位置的，而仅需要 在本地对其进行操作。因此我们采用了两能级原子作为信息的载体；
[0072] (2)目前大部分的远程态制备的实验方案中都仅仅考虑了一位发送者和一位接收 者的情况，没有考虑到有多位通信参与者的情况。本方案中有Ξ位参与者，一位发送者，一 位接收者和一位控制者，其中接收者和控制者两者的地位是等价的，可W由发送者根据具 体的情况决定他们最终的任务；
[0073] (3)本发明的方法采用Ξ原子组成的W型纠缠态作为量子信息传输的信道之一。目 前的研究表明，对于Ξ体纠缠态，W型纠缠表现出更高的鲁棒性和更强的非经典特性，从而 使其被认为是量子信息处理中理想的纠缠资源。因而，本方法提高了通信过程的抗干扰能 力。
[0074] 由此，本发明提供了一种能够从实际的可操作性出发，提出由一个多方参与的，W 两能级原子作为信息的载体，利用两能级原子与经典电磁场之间的相互作用，通过一个Ξ 原子W型纠缠态和一个量原子纠缠态组成的量子信息传输信道，完成对两原子量子比特态 的远程态制备的方法。
[0075] 此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语"第一"、"第 二"、"第Ξ"等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个 组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
[0076] 可W理解的是，虽然本发明已W较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用W 限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述掲示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等 同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 W上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围 内。
【主权项】
1. 一种基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法，所述方法用于使得 一位发送者协助两位接收者中的一位建立I φ > = a I gg>+01 ee> 形式的两原子纠缠态，其中I 8>和I e>*别表示两能级原子的基态和激发态，参数α和 β为实数，且满足条件α2+β2=1;其中发送者掌握着这个量子态的信息，两位接收者未获知量 子态的信息；为了完成传送信息的任务，发送者在其和两位接收者之间建立起一个两原子 纠缠态和一个三原子W类纠缠态作为量子信道：其中原子1和4属于发送者，原子2和3分别属于第一接收者和第二接收者，而原子5交给 最终的接收者。2. 根据权利要求1所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法， 其特征在于包括： 第一步骤，发送者制备一个单模腔Α，其中腔场的频率与两能级原子的跃迀频率之间的 失谐量为S，原子-腔耦合系数为ε;而且引入一个强经典场驱动原子，经典场的频率与原子 跃迀频率相同，经典场的拉比频率为Ω ;并且，发送者设置各器件的参数满足条件Ω > >δ >>S随后将原子1和原子4注入单模腔Α，发送者根据所拥有的被传送量子态的信息，控制 原子飞行时间τ，使其满足条件同时，调节经典场的拉比频率满足条件Ω T=JI; 第二步骤，完成第一步骤后，三个原子所组成的系统的量子态将演化至如下形式：此时，发送者对其所拥有的两个原子进行测量，判断原子处于基态I g>还是激发态I e >; 第三步骤，发送者在两位接收者中选择一位作为最终的接收者，将原子1和原子4的测 量结果通过经典信道发送给最终的接收者，并将原子5分配给最终的接收者； 第四步骤，另一位接收者对自己手中的原子进行测量，并将测量结果通过经典信道告 知最终的接收者； 第五步骤，最终的接收者根据来自发送者和另一位接收者的经典信息，判断是否完成 了远程态制备的任务。3. 根据权利要求1或2所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方 法，其特征在于第五步骤包括:如果另一位接收者的原子处于激发态I e>，则最终的接收者 不能重建被传送量子态。4. 根据权利要求1或2所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方 法，其特征在于，第五步骤包括:如果另一位接收者的原子处于基态I g>，则最终的接收者 通过单原子操作，完成远程态制备的任务。5. 根据权利要求4所述的基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法， 其特征在于，若发送者的原子处于I ge>h4或I eg>i,4态，则最终的接收者直接得到被传送 量子态； 若发送者的原子处于|gg>h4或I ee>i,4态，则最终的接受者利用经典场完成一次单原 子操作，以重建被传送量子态。
【专利摘要】本发明提供了一种基于腔量子电动力学技术的远程制备两原子纠缠态的方法。一位发送者将协助两位接收者中的一位建立|φ＞＝α|gg＞+β|ee＞形式的两原子纠缠态，其中|g＞和|e＞分别表示两能级原子的基态和激发态，参数α和β为实数，且满足条件α2+β2＝1；发送者掌握着这个量子态的信息，两位接收者不知道量子态的信息；为了完成传送信息的任务，发送者在其和两位接收者之间建立起一个两原子纠缠态和一个三原子W类纠缠态作为量子信道。
【IPC分类】H04B10/70
【公开号】CN105490750
【申请号】CN201510819794
【发明人】任远, 肖骁琦
【申请人】上海电机学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月23日...
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