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2020/11/9东南大学电子科学与工程学院量子纠缠简介主讲人：制作人：2020/11/9东南大学电子科学与工程学院主要内容1.量子纠缠理论的发展过程2.量子纠缠的含义3.量子纠缠态的应用4.总结与思考2020/11/9东南大学电子科学与工程学院一、量子纠缠的发展历程◊1935年,爱因斯坦等人提出一种波，其量子态：Ψ𝑥1,𝑥2=exp𝑖ћ𝑥1−𝑥2+𝑥0𝑝𝑑𝑝）+∞−∞，其基本特征是不能写成子系统量子态的直积形式，即Ψ𝑥1,𝑥2≠Ф(𝑥1)Ф(𝑥2)，薛定谔成这样的量子态为纠缠态。◊50年代，隐变量理论。将量子力学中不能对某些观测量作出精确预言的事实归结为不能确切知道的隐变量。◊1964年，约翰·贝尔提出Bell不等式，一个量违背了Bell不等式为量子态的，服从为经典的。只有不服从Bell不等式才与纠缠有关系。2020/11/9东南大学电子科学与工程学院◊1982年Aspect用实验验证Bell不等式的不正确性，从而推翻了决定论的局域隐变量理论。◊1997年年底奥地利研究小组首先在实验上演示成功了量子隐形传态。◊如今，量子纠缠的不仅仅用于检验基本理论的完备性，而且随着量子信息科学的开展，量子纠缠态被用于量子密钥分配、量子隐形传态、量子计算等领域。2020/11/9东南大学电子科学与工程学院二、量子纠缠的含义定义：量子纠缠是一种量子力学现象，它是描述复合系统（具有两个以上的成员系统）这一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积。理解：量子纠缠是存在于多子系量子系统中，对其中一个子系统的测量结果无法独立于对其他子系统的测量参数，这些参数有内在的联系。2020/11/9东南大学电子科学与工程学院相关实验1982年，法国物理学家AlainAspect证实了微观粒子之间存在着“量子纠缠”的关系。在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系：不管它们被分开多远，对一个粒子扰动，另一个粒子（不管相距多远）立即就知道了，仿佛两个粒子拥有超光速的秘密通信一般，似与狭义相对论中所谓的局域性相违背，爱因斯坦斥之为“鬼魅的远距作用”。2020/11/9东南大学电子科学与工程学院事实上，量子纠缠并非信息传递，而且信息也不可能从一个粒子传到另一个粒子。即使用光速将它们分开，信息也不可能在你测量时从一个地方传到另一个地方。在两个（多个）量子级别的粒子的系统中，当其中一颗被操作而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化，无论距离有多远。我们称之为量子纠缠子系统的非定域非经典的关联。2020/11/9东南大学电子科学与工程学院三、量子纠缠的应用量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，在量子计算和量子通讯等研究中起着重要的作用。1.量子通信—量子隐态传输2.量子计算—量子计算机3.量子保密通讯—量子密码术2020/11/9东南大学电子科学与工程学院量子纠缠态的制备目前，主要通过激光泵浦非线性光学晶体的自发参量下转换(SPDC)过程来制备光量子纠缠态。泵浦光的光子能在适当条件下在某些非线性晶体中同时产生一对下转换光子。这个过程遵循能量守恒和动量守恒，从而产生时间、空间、频率上纠缠的双光子态。图2参量下转换产生纠缠光子对2020/11/9东南大学电子科学与工程学院1.量子通信—量子隐态传输基本思想：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道（电话等）和量子通道传送给接收者。最终将原物信息—某个粒子的未知量子态传到接收方，在这个过程中传送的是原物的量子态而非原物本身，故称隐态传输。图3量子隐态传输的示意图2020/11/9东南大学电子科学与工程学院1.1997年年底包括潘建伟在内的奥地利研究小组首先在实验上演示成功这种量子隐态传输。量子通信发展中的中国贡献2.中科大潘建伟研究小组首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，实现了“量子中继器”，向量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。图4首次实现隐态传输的科研小组2020/11/9东南大学电子科学与工程学院3.2007年开始，中国科技大学和清华大学的自由空间量子通信实验将通信距离从数百米记录一步跨越到16公里，成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性。4.2012.08.09，中国科技大学的研究人员再次创造了新纪录，将通信距离扩大到了97公里。图5中科大潘建伟教授图6量子通信网络示意图2020/11/9东南大学电子科学与工程学院量子计算机是以量子力学为基础，运用量子信息学，构建一个完全以量子位为基础的计算机芯片。2.量子计算—量子计算机表一传统计算机与量子计算机的比较2020/11/9东南大学电子科学与工程学院量子计算机的优点：①数据处理同时完成，极大地提高了计算机的运行速度②微型化，高度集成化，体积大大缩小，有效地减少了计算机的功耗量子计算机发展存在的困难：①多自由度系统环境中小系统的量子耗散②量子退相干效应（量子比特与外部环境发生作用使量子相干性衰减）③量子固体电路如何在常态（常温、常压等）中运行量子态2020/11/9东南大学电子科学与工程学院量子计算机发展现状量子器件包括量子晶体管、量子存储器、量子阱激光器等的研制成功为量子计算机的研制创造了条件。2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机“Orion（猎户座）”。虽然当时只是一台能通过量子力学解决部分问题的原型机，不过也让我们看见了量子计算机的曙光。2007年，中国科技大学微尺度国家实验室潘建伟小组宣布成功制备了国际上纠缠光子数最多的“薛定谔猫”态和单向量子计算机，刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录。九月，该小组利用光子“超纠缠簇态”演示了单向量子计算的物理过程，实现了量子搜索算法。2020/11/9东南大学电子科学与工程学院3.量子保密通信—量子密码术定义：量子密码术是密码术与量子力学结合的产物，它利用了系统所具有的量子性质。量子密码的绝对安全性：1.以单光子（量子）携带信息，不怕敌人分取信息。2.量子不可克隆定律：不存在任何的物理过程可以精确地复制未知量子态，可以保证不可能拷贝信息。（其实质是测不准原理）2020/11/9东南大学电子科学与工程学院量子密钥分配方案：1.偏振编码：最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振特性，在长距离的光纤传输中，光的偏振性会退化，造成误码率的增加。2.相位编码：目前主流的实验方案则用光子的相位特性进行编码。与偏振编码相比，相位编码的好处是对光的偏振态要求不那么苛刻。2020/11/9东南大学电子科学与工程学院最新的研究成果目前，在量子密码术实验研究上进展最快的国家为英国、瑞士和美国。1.瑞士日内瓦湖底的量子密码实验（67公里）图7日内瓦量子密码实验图2020/11/9东南大学电子科学与工程学院2.2004年我国建立一条从北京到天津长125公里的试验性光纤量子通信密码线路。3.2007年，郭光灿领衔的研究团队在北京成功试验了“量子路由器”，并获得了美国授权专利。图8中科大建立的6.4公里量子保密通信演示系统图9城际量子保密通信系统2020/11/9东南大学电子科学与工程学院四、总结与思考1.量子纠缠最重要的特点是子系统A和B的状态均处于依赖对方而各自都处于一种不确定的状态。量子纠缠的纠缠是一种客观的、整体的性质。2.纠缠态的关联是一种纯量子的非定域的关联，是一种超空间的关联。3.量子信息的传递是非定域的、超光速的。但是完成隐形传态必须通过经典通道传递测量结果，没有经典信道，隐形传态根本不传送任何信息。而经典信息传递的最大速度不超过光速。2020/11/9东南大学电子科学与工程学院ThankYou！！