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单光子和多光子量子态的制备与操控对量子信息技术的发展和应用至关重要。在实现量子器件小型化和集成化的基础上对量子态进行有效制备和操控是目前量子信息技术研究领域的前沿问题。作为一种平面光学人工微结构阵列,超表面能够在亚波长尺度上实现对光场振幅、相位和偏振态等多个维度的有效控制,为微纳光学器件的设计提供了一种全新方式。近期研究表明,高效率超表面是实现小型化和集成化量子器件的理想平台。总结了近年来可见光和近红外波段高效率超表面的设计原理及其应用方向,并在此基础上对超表面在提高单光子发射器性能方面和在多光子纠缠态制备与操控方面的重要工作进行了总结。

在第六代移动通信网络(6G)中,为了解决量子移动终端在不同小区交叠区域内平稳越区切换问题,提出了基于最优纠缠度的软切换策略。通过建立移动终端Alice与当前小区A和目标小区B之间的纠缠度计算模型,分析了Alice在运动过程中,与不同小区纠缠度的变化趋势,求出最优纠缠度所对应的小区。仿真比较了硬切换与软切换的特性,结果表明,当Alice与A小区的距离增加时,两者间的纠缠度逐渐下降;当Alice逐渐靠近B小区时,Alice与目标小区B的纠缠度逐渐变大。若B小区为最优纠缠小区,在硬切换中会存在短暂的链路中断,而软切换可实现小区之间的平稳切换。证明了在6G组网中,采用最优纠缠软切换策略,能有效提高切换过程中的通信接通率。

运用量子熵理论,探讨了Λ型三能级原子与Pólya态光场相互作用时,光场分布参数、原子相对失谐量、最大光子数、光场概率参数和原子初态对系统量子纠缠特性的影响。结果表明:当Λ型三能级原子与Pólya态光场相互作用时,若初态为两能级等权叠加态,各参量取适当值时可得到最大纠缠度较小的、稳定的、周期性振荡的量子纠缠态,若初态为激发态或三能级等权叠加态,各参量取适当值时可得到最大纠缠度为1.1的、稳定的、周期性振荡的纠缠态。

提出了已知四量子纠缠态的一个远程态制备协议,其中有两个可能的接收者,发送方 可以在两个可能的接收者中选择其中的一个,并在选定的接收者处制备预期的量子态。发送者首先引入两个辅助粒子,执行两 个受控非门操作,然后对二粒子系统进行两个投影测量,其测量基是通过已知态的信息来选择的,并行使自己的特有选择权。 根据发送方的16种不同测量结果,协议有16 个部分。给出了方案的内在效率,以及与现有相应方案相比存在的优势。

为了抵御弱盲签名的伪造攻击,基于量子纠缠交换原理提出了双重弱盲签名方案。此方案由发送者、 签名者和验证者三方经过初始化、消息盲化、双重盲签名和验证完成。发送者将消息盲化后送给签 名者,签名者用量子可控非门产生盲签名并执行Bell态测量,发送者用量子测量对原始消息再次签 名,验证者对两次签名分别进行验证,并去除盲化恢复原始消息。如果参与者对签名验证的结果有 争议,由可信的签名者对争议进行仲裁。分析表明当密钥满足偶数位恒为1时,该方法不仅能抵御外 部攻击,而且能有效防止发送者篡改,满足了弱盲签名的不可伪造性、不可否认性、盲性和可追踪 性等要求。所提方案在电子商务、电子货币等互联网交易中具有广泛的应用前景。

本文研究了由一个∧型三能级原子、一个∨型三能级原子和一个单模光场相互作用的系统,在一个原子处于激发态而另一个原子处于基态的初始状态下,给出了系统态矢的演化。采用部分转置密度矩阵的负本征值来描述两原子间的纠缠,利用数值计算的方法讨论了原子间偶极-偶极相互作用和光子数对原子间纠缠特性的影响。研究结果表明: 原子间的偶极-偶极相互作用增强原子间的纠缠,而光子数减小原子间的纠缠。

采用相干态正交化法研究了非旋波近似下Tavis-Cummings(TC)模型中两非全同量子比特间的纠缠动力学问题, 分析了同一耦合强度下不同跃迁频率的量子比特和光场对两量子比特间纠缠演化的影响。研究结果表明, 在弱耦合情况下, 当其中一个量子比特的跃迁频率与光场频率相同而另一个量子比特的跃迁频率与光场频率对称失谐时, 量子比特间的纠缠完全相同; 当耦合强度较大时, 两对称失谐情况下的量子比特间的纠缠演化由于非旋波项的作用不再完全相同。

在量子通信网络中, 量子路由器因自身性能的限制, 使其能够存储转发的量子簇长度是有限的。由于量子城域网和广域网数据量庞大, 会导致大量量子簇因长度限制问题无法转发而只能以量子分组的形式进行数据传输。为了解决上述问题, 提出了一种量子簇分片传输方案, 其将不能够直接被量子路由器存储转发的量子簇, 通过分片将其分解为若干个长度较短的、能够直接被路由器存储转发的分片量子簇完成数据传输。仿真结果表明: 在数据量庞大的城域网和广域网中, 需要分片的量子簇数量多, 对于提出的量子簇分片传输方案, 与已有的量子簇数据传输方案相比, 其能够以较少的纠缠资源和较短的传输时间完成量子分组的数据传输, 具有较好的实际应用价值。

研究了二阶磁梯度诱导的纳米金刚石氮空位(NV)色心耦合机械振子系统中两机械模式与NV色心的纠缠动力学特性,分析了系统相干角、机械模式的衰减率、NV色心的自发衰减率等对纠缠的影响。研究结果表明,选择合适的系统参数可以制备机械模式和NV色心之间的最大纠缠态;相干角对系统的纠缠动力学特性具有重要影响,当耗散存在时,通过控制相干角可以有效调节系统抵抗纠缠衰减的能力;相比于NV色心的自发衰减,机械模式的衰减使系统纠缠更快衰减和消失。

利用相干态正交化(ECS)法,讨论了两量子比特Rabi模型中的纠缠动力学问题,选取量子比特初态为交换对称的贝尔态,选取光场初态为真空态,分析了不同跃迁频率和不同光场-量子比特耦合强度下量子比特的纠缠演化特性。研究结果表明,在弱耦合情况下,当两个全同的量子比特的跃迁频率与光场频率的差值相同时,纠缠演化几乎相同;当非全同的量子比特跃迁频率相对光场频率对称失谐时,纠缠度比全同时大,失谐量越大,纠缠越强,且纠缠的变化周期与失谐量成反比。在共振情况下,当耦合强度不相等时,两量子比特纠缠演化存在主极大与次极大交替出现的现象;保持其中一个量子比特与光场的耦合强度不变,另一量子比特的耦合强度越强,次极大的峰值越大,但主峰峰值始终能达到最大纠缠;整个过程中纠缠演化表现出周期性。