量子纠缠态的制备
摘 要：二十世纪末，人类步入信息社会，信息在人们的日常生活中，起着越来越重要的作用。量子信息学是近年来结合了量子光学与信息科学的一门新兴科学。量子纠缠是量子信息中最重要、也最为神奇的一种概念。量子纠缠是一种有用的信息“资源”，在量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配以及在量子计算的加速、量子纠错、防错等方面都起着关键作用。在量子信息中，信息的处理离不开量子态及其演化。而量子纠缠态毫无疑问是各种量子态中最为重要的一种。它可用于检验量子力学的基本原理，而且也是实现量子通信的重要信道。因此，纠缠态的制备是量子信息处理必须的过程且极为重要。
关键词：量子纠缠；纠缠态；制备
一．量子纠缠
（1）量子纠缠态
近年来，随着量子信息[3]领域的蓬勃发展，量子纠缠的研究已成为热门前沿课题。但是它并不是什么新鲜事物。“纠缠”一词的出现可追朔到量子力学诞生之初。从量子力学诞生之日起，围绕量子力学中对其基本原理的诠释和对其基本概念的理解的争论就从未间断过。争论发生在以爱因斯坦为代表的经典物理学家和以玻尔为代表的哥本哈根学派之间，争论的核心实质上是涉及“纠缠态”以其展现出的非局域关联。最近20年来，由于实验技术的巨大进展，这些争论已不再停留在思辩阶段，而是可以依靠实验来验证，并由此引发了量子信息学的理论与实验的蓬勃发展。
那么，怎样的量子态才算纠缠态呢？中国科学院院士郭光灿打了一个形象的比喻: “就像一个母亲和她的女儿，分别居住在中国和美国。在美国的女儿怀孕了，当她生孩子的一瞬间，哪怕远隔千山万水，不用电话通知，远在中国的母亲就顺理成章地变成了外婆。” 即两个粒子无论分开多远，对其中一个粒子操纵或者作用，必将影响另一个粒子的态。” 所谓纠缠态，是指复合系统的一种特殊的量子态，它在任何表象中，都无法写成两个子系量子态的直积形式。为了方便理解，考虑到由A和B两个子系统组成的二体系统（A和B均为纯态）。因为纠缠态的每一分量均由两个粒子的单态 和构成，所以处于纠缠态的两个粒子有一个奇妙的特性：一旦测量确定了其中第一个粒子的状态，纠缠态对应的波函数便塌缩到它所相应的分量，从而瞬间决定了另一个粒子状态，这时即使两粒子间的空间距离很遥远（几米，几千米或几万米），人们原则上也能在瞬间由一个粒子的状态确定另一个粒子的状态。比如对处于态的两原子系统，若对原子1进行测量，结果发现它处于 态，则马上知道原子2处于态。这就是被爱因斯坦称之为“遥远距离的地点间的幽灵般的相互作用。
(2) 量子纠缠态的度量和分类
当两个地方进行分享纠缠态时,纠缠的所有者们可以通过对纠缠态做局域操作并辅以经典通信的手段来行使量子通信、量子计算的功能,如量子隐形传态、量子密钥分配等等,这都是要以消耗两地共享的纠缠态为代价的。所以,在量子信息中,纠缠经常被看作是一个非局域的源。于是,如何对纠缠定量化就被提升到一个很重要的地位。当今,人们已广泛使用四个Bell态作为定量化两子系系统纠缠的标准,每个Bell态的纠缠度定义为1,也称为一个ebit(纠缠比特)。所谓纠缠度,就是指所研究的纠缠态携带纠缠的量的多少。 纠缠度的提出为不同的纠缠态之间建立了可比关系。
通常人们把通过局域操作和经典通信的手段,从部分纠缠态中提取最大纠缠态的过程叫做纠缠纯化。如果部分纠缠态为纯态,则称为纠缠浓缩。纠缠纯化所依据的思想是:在局域操作和经典通信的前提下,纠缠的期望值不能增加。这一结论隐含了不能通过局域手段从非纠缠态的系综中获得纠缠态,但这并不能排除利用局域操作和经典通信从一个部分纠缠态的系综中挑出一个子系综,使其拥有更大的平均纠缠。
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