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量子隐形传态

2018-03-04

量子隐形传态(quantum teleportation)是量子信息领域的典型应用,又称为量子离物传态或量子远程通信,该理论由C.H.Bennett 等人于1993年提出。与传统的通信方案相比较,量子隐形传态技术是利用量子纠缠理论,通过一对EPR纠缠对实现远距离传输量子信息,不需要直接传输量子比特信息而实现量子纠缠态的转移。量子隐形传态理论在实验中得到了成功实现,并成为现在很多量子通信系统得以成功实现的重要理论基础。


量子隐形传态技术原理示意图如图1所示:

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图1 量子隐形传态原理示意图


分别位于距离较远两地的通信双方Alice 和Bob 共享一个EPR 纠缠对,该纠缠对可以是四个基态的任意一个,假设该纠缠对的量子态为image.png, 且Alice 和Bob 分别拥有该纠缠对中的粒子2和3。发送者Alice 拥有的粒子1处于未知的单量子态、假设为image.png,即需要将此未知量子态的信息传递给Bob。在该传输系统中所拥有的粒子1、2以及Bob所拥有的粒子3这三个粒子位于一个三重纠缠态上,如下式所示:

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让Alice 所持有的粒子1和2处于Bell态中,则系统总状态的表达式可整理为:

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Alice 要将粒子1传递给接受者Bob需要分别经过经典信道和量子信道两部分的传输过程,其具体步骤如下:


(1) Alice 在发送端对所持有的粒子1和2进行联合Bell测量,使其坊塌到四个Bell基中的其中一个,即这两个粒子所形成的的纠缠对具有最大纠缠态。Alice将测量得到的结果通过经典信道传给Bob。当Alice 完成测量工作后,Bob 手中的粒子3立刻丹塌到所对应的量子态上。

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表1 量子隐形传态的基本操作


(2) Bob 根据所接收到Alice的测量结果对手中的粒子3的量子态进行相对应的么正变换,得到一个新的未知态image.png,则image.pngimage.png的一个精确备份,即恢复到粒子1的初始未知态,完成了未知态的传输。


在量子隐形传态过程中Alice的测量结果、Bob手中粒子3的量子态、Bob所选择的么正变换等情况见表1 所示。


从量子隐形传态的传输过程可以看到粒子1在Alice手中已经遭到破坏,不可能通过具体的通信信道传输到Bob处,Bob只是通过相应的么正操作利用手中已有的粒子3对未知粒子1的再现,而不是对粒子1的复制,所以量子隐形传态理论并不违背量子不可克隆定理。


量子隐形传态的工作原理使得需要传输的未知量子态不受到传输信道的影响,Alice 和Bob 所处距离的远近也对系统工作没有任何影响,并且该系统能够较好的抵御外界窃听或攻击,这使得该理论在量子通信网络中得到了广泛的应用,尤其是涉及到量子态的转移、中转等技术上有着很好的应用前景。


参考文献:

1. C. H. Bennett, G. Brassard, C.Crepeau, et al. Teleporting an Unkown quantum state via dual classic and EPR channels. Phys. Rev. Lett. 70,1895 (1993)

2. M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press (2000).

3. 葛华,“量子安全直接通信及网络技术研究”,华中科技大学博士学位论文(2014).

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