量子信息讲座第六讲量子隐形传态_郭光灿.pdf
《量子信息讲座第六讲量子隐形传态_郭光灿.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《量子信息讲座第六讲量子隐形传态_郭光灿.pdf(8页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、*国家高等学校博士学科点专项科研基金资助项目1997-09-29 收到初稿,1998-09-15 修回1)/Teleportation0常被译成/远距传物0,其实并不准确。按照该词所描述的情景,与我国古代神话中常用的/遁0 更接近。为更突出其物理含义,我们认为/Quantum Tele-portation0应理解为量子态的隐形传送,强调其无影无踪的传送特征,因此我们取此意而译为/量子隐形传态0讲 座量子信息讲座第六讲 量子隐形传态*1)郭光灿 郭 涛 郑仕标 王青俊(中国科学技术大学物理系,合肥 230026)摘 要 量子隐形传态是一个新颖和有趣的研究课题.它是量子力学奇妙特性的一种应用.文章
2、阐述了量子隐形传态的基本原理,以及 EPR 效应,Bell 基测量等相关的概念,并介绍基于量子光学技术而实现的两个量子隐形传态的成功实验.关键词 量子隐形传态,EPR 效应,Bell 基QUANTUM TELEPORTATIONGuo Guangcan Guo Tao Zheng Shibiao Wang Qingjun(Dep artment of Physics,University of Science and Technology of China,Hef ei 230026)Abstract Quantum teleportation,based on certain strikin
3、g features of quantum mechanics,isa novel and interesting subject.The fundamental principles underlying quantum teleportation,alongwith related concepts such as the EPR effect and Bell basis measurement,is reviewed.We also describetwo successful experiments recently performed.Key words Quantum telep
4、ortation,EPR effect,Bell basis1 何谓量子隐形传态在科幻电影或神话小说中,常常出现这样的场面:一个神秘人物在某个地方突然消失掉,其后却在别的地方莫明其妙地显现出来.远距隐形传物(teleportation)的概念即来源于此.人们可以将这种隐形传物的过程想像成为如下图像:有股神奇的力量将被传送的人或物瞬间地离解掉,被离解的各种基本单元(如原子)弥散于大自然中,于是这个人或物便在人们面前消失掉,随后在另一个地方则发生相反的过程,自然界中相关的原子在这股神奇力量作用下汇集起来并构造成与原来一模一样的人或物.更接近于物理规律的一种想法是:先提取原物的所有信息,并将这些信息
5、传送到接收地点,然后依#120#物理据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元(如原子),制造出原物的完美的复制品.遗憾的是,这种实现远距隐形传物的方法是违背量子力学的不确定关系的.不确定关系认为,不可能对一个物体(量子体系)的所有物理量都进行精确测量,因而提取一个物体的所有信息是不可能的.当然,人们还可以提出另一种不必对物体进行力学量测量的可能方案.按照量子力学的理论,物体的全部信息可由其量子态给出,换句话说,只要我们能精确地复制物体的量子态,并使远处相同类型的原子集合处于与原物完全相同的量子态上,则这种隐形传物也就成为现实.可惜的是,完全精确地复制量子态是不可能的,它违背了量子力学的一条
6、基本定理,即量子不可克隆定理 1,也就是说,通用的量子复制机是不存在的.因此,隐形传物只不过是种幻想而已.当然还必须指出,隐形传物与医学上广泛采用的 CT 技术以及通讯中的传真技术是不同的.CT 技术恢复出的图像仅仅是视觉效应,而不是被传送后的物,传真的图像在量子力学的层次上看,由于不确定原理的限制,它不可能与原来的图像一模一样.1993 年,Bennett 等 4 个国家的 6 位科学家联合在5Phys.Rev.Lett.6上发表了一篇题为/经由经典和 EPR 通道传送未知量子态0的开创性文章2,重新点燃人们研究隐形传物的兴趣,并引发一系列富有成果的研究.Bennett 等人提出的是一种量子
7、隐形传态(quantum teleportation)的方案,其基本思想是:为实现传送某个物体的未知量子态,可将原物的信息分成经典信息和量子信息两个部分,它们分别经由经典信道和量子信道传送给接收者.经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息.接受者在获得这两种信息之后,就可以制造出原物的完美的复制品.在这个过程中,原物并未被传给接受者,它始终留在发送者处,被传送的仅仅是原物的量子态,发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接受者是将别的物质单元(如粒子)变换成为处于与原物完全相同的量子态,原物的量子态在发送者进行测量及提取经典信息时已遭破坏.因此,这是一
8、种量子态的隐形传送,最终恢复原物量子态的粒子也可以不必与原物同类,只要它们满足相同的量子代数即可.由于经典信息对量子态的隐形传送是必不可少的(否则将违背量子不可克隆定理),而经典信息传递速度不可能快于光速,因此,量子隐形传态也不会违背相对论的光速最大原理.为了更清楚地描述量子隐形传态的基本原理,我们必须先介绍一下著名的 EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)效应和 Bell 基.2 EPR 效应和 Bell 基1935年,Einstein,Podolsky 和 Rosen 三人提出一个被人们称为 EPR 佯谬的著名假想实验3,其本意是企图证明量子力学是不完备的.这个实验原理可
9、作如下表述:设想总自旋为零的两个自旋为/2 的粒子 A 和 B(俗称为EPR粒子对)沿相反方向传输.按照量子力学理论,在某个方向上测量粒子 A(或 B)的自旋,测值为?(/2)的几率各为 1/2.但如果在 X方向上测量粒子 A 的自旋 S(1)x,并得到值/2,那么粒子 B 必定会处于本征值为-/2的自旋算符 S(2)x的本征态上.若对粒子A 选择测量的是自旋 S(1)y,且测得/2 值,则可以完全确定粒子 B 的自旋 S(2)y应为-/2 的本征值.在这两种场合,对粒子 A 进行一次测量均会导致粒子 B 以百分之百的几率给出某个确定输出值.爱因斯坦等人认为,若能完全确定地预言对某个粒子变量一
10、次测量的输出,且又不干扰该粒子,那么/,就存在一个对应于这个物理量的物理实在元素,0.按照这种看法,粒子 B 的S(2)x和S(2)y的值都应有相应/物理实在元素0存在.然而 S(2)x和S(2)y并不对易,按照量子力学,它们不能同时具有确定的值.而且粒子 A 和 B相距甚远,它们不可能在极短时间内彼此/沟通0.但上述结果却表明,对粒子 A 某个量的测#121#28卷(1999 年)2 期量显然会影响着粒子 B 的量子态.爱因斯坦等人认为,这些严重的矛盾证明/量子力学是不完备的0.然而后来的实验事实并不支持 EPR 的观点.这个佯谬的起源在于局域性(locality)的经典概念,它将一个客观物
11、理实在与每个粒子及其力学变量相联系.在量子力学中,只要体系不处于某个力学量算符的本征值,则该动力学变量并不确切地具有一个值,除非对它进行测量,因此,在某种意义上讲,测量产生物理实在!按照量子力学理论,EPR 粒子对作为一个量子系统处于如下的量子态(俗称为 EPR 态):W(A,B)4=12(4A|4B-|4A4B),(1)式中 4A代表粒子 A 自旋向上的本征态,其余符号的含义类推.这实际上就是一种量子纠缠态.对处于态(1)的体系单独地预言粒子 A(或B)测得自旋向上(或向下)的几率为 1/2,但一旦测得粒子 A 的自旋向上(或向下),则粒子B 的自旋必定向下(或向上).不管两个粒子相距多远,
12、它们都处于这种相互关联状态,这就是量子力学的非局域性效应(non-local effect).许多实验证实,非局域性效应是量子力学的基本特性.爱因斯坦等人对量子力学理论的责疑虽然被否定,但是上述非局域性效应却是他们根据量子力学原理在 EPR 实验中揭示出来的,因此人们又称之为 EPR 效应.用于判断爱因斯坦局域性理论是否正确的最主要根据乃是由隐参数理论推导出来的 Bell不等式4.实验结果违背了 Bell 不等式,证实了非局域性效应的存在.对于两个两态粒子的量子系统,存在有如下 4 个量子态,即7(?)124=12(41|42?|41 42),(2-1)5(?)124=12(41 42?|41
13、|42),(2-2)这4 个态是 Clauser 等人的 Bell 算符的本征态5,7(-)124为单重态,其余的为三重态,它们构成四维希尔伯特空间的完备正交归一基,称为 Bell 基.Bell 基在量子信息中有着广泛的用途,现在已经设计出许多方法来实现对 Bell 基的测量.当然,这里所指的两态粒子包括了很多不同类型的量子体系,例如,自旋为/2 的粒子、正交偏振的光子、两能级的原子等.3 量子隐形传态的基本原理现在设想粒子 1 处于某个未知的量子态41上:41=a 41+b|41,a2+b2=1.(3)发送者 Alice 要把量子态 41传送给接受者Bob,但粒子 1 始终要留在 Alice
14、 这里.基于 Bell基矢联合测量的量子隐形传态方案一般分为以下 3 个步骤:(1)预先将粒子 2 和 3 制备成处于如下的EPR 对,其量子态为7(-)234=12(42|43-|42 43),(4)于是由粒子 1 和这个 EPR 对所构成量子体系的量子态为态(3)和(4)的直积71234=417(-)234.在式(2)的 Bell 基矢表象中,这个直积态可以表示为71234=127(-)124(-a 43-b|43)+7(+)124(-a43+b|43)+5(-)124(a|43+b 43)+5(+)124(a|43-b 43),(5)式中态7(?)124,5(?)124是粒子 1 和 2
15、 所在的四维希尔伯特空间的 Bell 基.(2)将 EPR 对的粒子 2 和 3 分别传送给通讯双方 Alice 和 Bob(图 1),Alice 接着采用能#122#物理识别 Bell 基的装置对粒子 1 和 2 进行联合探测,测得结果为每个 Bell 基的几率是 1/4.当然,Alice 进行一次测量只能得到一个结果,亦即粒子 1 和 2的子系统在测量之后将坍缩到其中的一个 Bell 基上,并与粒子 3 消纠缠.基于量子非局域性,粒子 3 将由原来的纠缠态坍缩到相应的量子态上,按照式(5)不难看出,对粒子1和 2的 Bell 测量将导致粒子 3 处于如表 1 所示的量子态上.图1 量子隐形
16、传态的原理表 1测量之后粒子 1 和2可能的量子态测量之后粒子 3可能的量子态7(-)124-a 43-b|43=1437(+)124-a 43+b|43=2435(-)124a|43+b 43=3435(+)124a|43-b 43=443 量子隐形传态的目的是将粒子 3 制备在粒子1 原先的量子态上,亦即态43=a 43+b|43.由表 1 可知,如用10表示态 4,用01(7表示态|4,测量后粒子 3 所处的量子态与欲传送的量子态之间有如下关系:143=U1ab41,U1=-1001;(6-1)243=U2ab42,U2=-1001(-;(6-2)343=U3ab24,U3=01 10基
17、.elB;(6-3)443=U4ab类型,U4=0-110传态.(6-4)(3)Alice 将她对粒子 1 和 2 联合测量所得的结果(经典信息),经由经典信道传送给 Bob,Bob 便能确知粒子 3 的状态,然后对粒子 3 实施相应的幺正变换,即可使它处于被传送的未知态43上.例如,当Alice 测得粒子 1 和2 的量子态为54(-)124时,则粒子 3 将处于 343上,Bob 只要对其施加幺正变换 U-13,便可使粒子3 处于欲传送的量子态 43上,而留在 Alice处的粒子 1 在联合测量之后,原始态 41已被破坏掉了.这样就实现了将未知量子态从Alice 处传送到 Bob 处.在上
18、述量子隐形传态过程中,Alice 对粒子1和 2 的联合测量,获得了关于量子态 41的部分信息,量子测量是非幺正交换,它提供了经典信息.而 EPR 对所传送的是未被测量的信息,EPR粒子起着量子信道的功用,Bob 接受到Alice 传送过来的信息,才有可能将粒子 3 制备在欲传送的未知态上.这里并不要求粒子 2 和3 与粒子 1 属同类粒子,只要它们有着相同的自旋代数就行.Bennett 等人的开创性论文发表之后,关于量子隐形传态的各种方案相继出现,其中有基于 Bell 基 联合 测量 实现 量子 态传 送 的模型6,7;G.Brassard 等人 8指出了利用量子计算机中的受控非门和单个量子
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 量子 信息 讲座 第六 隐形 郭光灿
限制150内