摘要：量子纠缠和量子退相干的应用是未来网通信实现的关键性难题。面向此2类难题，对量子纠缠的测量工具纠缠度量和量子防错码法进行了研究，通过对二能级原子间的纠缠度量建模和原子与场间的纠缠度量建模，展示了原子间和原子与场间的纠缠相关因素，并构建了量子通信的实现原理图，以阐明量子纠缠和量子退相干的基本应用，在此基础上延伸至最新的量子通信研究及应用。下面小编整理了一些《量子隐形传态通信技术论文(精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。
量子隐形传态通信技术论文 篇1：
“墨子号”上天忙些啥
115年前，马可尼发出第一个越洋无线电信号的那一天，什么都没有改变。没有人能预计到接下来100年间通信会把这个世界变成什么样子——但每一个在场的人都知道，世界一定会因此而改变。
今天，我们站在了和他们一样的位置上：2016年8月16日，世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”从酒泉升空了。
墨子可能是第一个发现光沿直线传播的中国人，而“墨子号”则可能改变我们世界中信息传播的方式。它将第一次在太空中实现最先进也最安全的信息传送手段——量子通信；这不但是未来覆盖全球的量子通信网络的先驱，甚至还有助于进一步验证量子理论自身的完备性。
量子隐形传态：真正意义上的量子通信
发展量子通信技术的终极目标，是构建广域乃至全球范围内绝对安全的量子通信网络体系。而想建设覆盖全球的量子通信网络，必须依赖多颗量子通信卫星。“墨子号”量子科学实验卫星，就是未来一系列量子通信卫星的探路者。
“墨子号”的重要科学目标之一，就是在卫星和地面之间进行高速量子密钥分发，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。它将在卫星与地面之间展开量子密钥分发实验，甚至将在北京和维也纳之间尝试超远距离的洲际量子密钥分发。它还将尝试与地面光纤量子通信网络链接，为未来覆盖全球的天地一体化量子通信网络建立技术基础。
尽管“量子密钥分配”能为经典比特的传输建立牢不可破的保密通信，但严格来说，它传递的并不是真正的量子比特。在量子通信中还有另一个被称为“量子隐形传态”的方向，能利用量子纠缠来直接传输量子比特——那才是真正意义上的量子通信方式。
量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，能够用一个量子比特来表示，同时另一个粒子B也可以处于叠加态。当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，也就是纠缠态。例如，有一种纠缠态就是，无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。
这种跨越空间瞬间影响双方的量子纠缠，曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），并以此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的“定域性”原理，即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速。这就是著名的“EPR佯谬”。
后来物理学家玻姆在爱因斯坦的定域性原理基础上，提出了“隐变量理论”来解释这种超距相互作用。不久物理学家贝尔提出了一个不等式，可以来判定量子力学和隐变量理论谁正确。如果实验结果符合贝尔不等式，则隐变量理论胜出。如果实验结果违反了贝尔不等式，则量子力学胜出。
贝尔不等式的意义
随后的一次又一次实验，结果都违反了贝尔不等式，证实了量子力学才是对的，爱因斯坦的定域性原理必须被舍弃。2015年，荷兰物理学家做的最新无漏洞贝尔不等式测量实验，基本宣告了定域性原理的死刑。
因为这神奇的量子纠缠是非局域的，两个纠缠的粒子无论相距多远，测量其中一个粒子的状态，必然能同时获得另一个粒子的状态，而这个“信息”的获取又不受光速限制，物理学家自然想到，能否利用这种跨越空间的纠缠态进行信息传输？于是，基于量子纠缠态的量子通信应运而生，这种试图通过跨越空间的量子纠缠来实现对量子比特的传输的通信方式，被称为“量子隐形传态”。
利用量子隐形传态的过程，可以通过量子纠缠，把一个量子比特无损地从一个地点传送到另一个地点。这也是量子通信目前最主要的方式。需要指出的是，由于其中有通过经典通信方式传递的步骤，因此也就限制了整个量子隐形传态的速度，导致量子隐形传态的信息传输速度实际上无法超过光速。
量子计算需要直接处理量子比特，“量子隐形传态”这种直接传递量子比特的传输，将成为未来量子计算之间的量子通信方式。量子隐形传态和量子计算机终端，未来可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统，也就是真正意义上的量子互联网。这将是未来量子信息时代最显著的标志。
在量子纠缠和量子隐形传态领域，“墨子号”量子科学实验卫星同样肩负着重要的科学目标，那就是在空间尺度上通过实验来检验量子力学本身的完备性。这个科学目标，在身为量子物理学首席科学家的潘建伟院士看来，或许比建立天地一体化的量子保密通信网络来得更显诱人。
目前已经有很多实验证明了量子力学的纠缠态，但在长距离大范围条件下进行上千千米量级的量子纠缠态观测，还从来没有人实现过。“墨子号”量子科学实验卫星上携带着量子纠缠光源，可以从太空同时向两个地面站分发纠缠光子。完成量子纠缠分发之后，再对地面站的两个纠缠光子同时进行独立的贝尔态测量，便可以在超过上千千米的距离上对贝尔不等式是否成立进行检验。
不仅如此，科学家还将利用“墨子号”卫星，通过量子隐形传态的方式，将微观量子态直接从地面传送到太空中去。尽管传送的只是量子态而非粒子本身，并且这种量子通信方式也不可能超越光速，但至少从某种意义上，地星量子隐形传态实验将实现科幻小说里经常出现的一种进入太空的方式——直接传送上去。
“墨子号”：将科学转变为技术
对于这些针对量子力学有效性的科学实验，美国麻省理工学院物理学教授Vladan Vuletic是这样评价的：“量子力学走到今天，已经在很多不同的环境和体系下被检验过多次，几乎不会有人真的以为，在延伸到太空甚至更远的距离上，量子力学本身就会不再有效。不过，这一点如果能够经过实验验证的话，当然更好。”
“从个人而言，我并不指望卫星实验能够教给我们任何我们尚不了解的量子力学和有关量子奇特性质的知识。然而，量子科学实验卫星项目却有着非常重大的意义，它将会把科学转变为技术：如果实验成功，它将有可能建立比经典物理学更强有力的地面系统与空间系统链接。然后，这种链接可以在实际上用于安全的信息交流。因此，爱因斯坦对量子物理学的反对就会转变成一种交流工具，这将是一个非常激动人心的进展。”
“墨子号”量子科学实验卫星只是一个开始。从长远来看，“要实現全球化量子通信，还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网”，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师、中国科大微尺度物质科学国家实验室研究员彭承志表示。
这条征途没有尽头。好在这一回，中国站在了最前面。
作者：Steed 九维空间
量子隐形传态通信技术论文 篇2：
量子通信及其实现的关键性问题探讨
摘要：量子纠缠和量子退相干的应用是未来网通信实现的关键性难题。面向此2类难题，对量子纠缠的测量工具纠缠度量和量子防错码法进行了研究，通过对二能级原子间的纠缠度量建模和原子与场间的纠缠度量建模，展示了原子间和原子与场间的纠缠相关因素，并构建了量子通信的实现原理图，以阐明量子纠缠和量子退相干的基本应用，在此基础上延伸至最新的量子通信研究及应用。
关键词：量子纠缠；量子退相干；量子避错；不确定性原理
0引言
传统的光网络将光作为信息的载体，根据光强度或相位进行调制，从而实现在经典物理通道中的高速传输[1]。未来网的光网络是建立在自然界规律之上的，将量子作为信息的载体，根据量子不确定特性，利用量子纠缠制备和量子退相干特性，实现量子的隐形传态以完成信息的整个传递过程。量子通信是未来网发展的重要技术，量子通信的关键性问题的理论分析和应用实现是下文探讨的重点。
1量子通信产生的背景
当前的信息科学面临的主要问题有2点：一是计算能力能否满足摩尔定律无限度的增长；二是现有的密码体系是否绝对的安全[2]。鉴于当前信息科学面临的挑战，量子通信和量子计算逐步成为信息科学领域研究的重要学科分支，也将成为未来网络重要的支撑技术。量子通信是将物质微观世界的奇特性质运用至通信领域的高新技术，更高速的传送和完备的保密性受到业界广泛的关注和偏好，量子通信将逐步成为信息通信新的主宰。
2量子网络及其包含的元素
量子网络是不可划分的最小物理量的资源网，不确定状态下的量子比特在规则下有目的地在网络中隐型传态。根据传统定义，量子网络是指由量子节点和量子传送通道组成的信息网络。量子网络的网络形态与目前互联网网络形态是一致的，但在实现上采用的是不同的技术手段。互联网是基于经典物理理论的节点和其相互连通通道的集合，而量子网络是基于量子力学理论的量子计算节点和其互连通道的组成。每个量子节点有一定的信息处理能力和存储容量，单个量子节点就相当于是一个小型的量子计算机，而量子通道则将量子节点进行互连。不同于现有互联网，全量子网络应用了量子物理特性，可突破现有网络物理极限，具有更强信息传态和处理能力。中国的全量子网络项目系国家973计划重大科学问题导向项目，预计在2016年将建成全量子雏形网络，届时光纤通信距离将达到150 km，量子节点存储速度将达到ms级[3]。
3实现量子通信的关键性问题探析
量子通信是建立在量子力学基础之上的。量子力学是人类在生产实践中不断认识自然和不断探索自然本质的结晶产物，是对微观世界最小单位的运动规律的精确描述和验证。量子通信作为量子信息技术的重要分支，是以量子力学的量子叠加态理论为基础，研究信息处理的一门前沿科学。在量子通信中，信息的产生、表示和存储都离不开量子态及其演化过程。
量子纠缠和量子退相干是量子通信实现的关键性问题。量子纠缠态是微观世界中的奇异现象，其呈现独特的量子关联特性，是各种量子态中重要的一类，也是量子信息任务处理的基础物理资源，量子通信的隐形传态是基于量子纠缠态的重要应用。量子退相干是量子信息得以实现的关键，量子体系具有根本性区分经典物理体系的特征是量子相干性，这是量子信息得以存在的基础，量子退相干会导致量子信息塌缩为经典物理体系中的信息，从而令量子通信无法实现。量子具有脆弱性，量子设备的写入和读出就是量子制备和量子测量，测量行为会导致量子相干性被破坏，逐步衰减以致消失。综上所述，如何引导量子状态和保持量子相干性，对于量子通信的实现具有决定性的意义。
3.1量子纠缠、量子度量及其应用
量子纠缠遵循不确定性原理，对一个多量子子系统的测量结果不能独立于其他子系统的测量参数，也就是子系统之间不论距离有多远，也不能孤立研究这些子系统的性质。量子纠缠这种奇异现象，表现中存在灵魂区域的相关性，无法用经典的定域实在性进行解释。
量子纠缠存在2点引起物理学家研究的原因：一是在测量中引起塌缩具有非定域的关联，是一种超空间的关联，关联下的深度应用挖掘，在量子通信中具有极大的技术价值；二是量子退相干是量子信息的主要衰减方式，量子与环境不可避免存在退相干性是量子通信实现的巨大障碍，如何应用这种特性，对于量子通信技术的开发具有广阔的前景。
量子纠缠态的测量涉及量子纠缠度量，以定量对量子纠缠态进行分析，从而判定量子纠缠态。量子纠缠态的作用场景涉及原子和腔场非共振的情形，将在下文中的二能级原子和双模光场相互作用模型对量子纠缠特性进行解析。解析表达的量子纠缠问题主要有2个：一是原子和腔场间失谐量的变化对原子纠缠度程度的影响；二是原子与腔场间的耦合强度的变化对原子间纠缠周期大小的影响。
量子态有纯态和混合态之分。纯态是指一个量子系统能用单一态矢量或由希尔伯特空间的一个态矢量描述的叠加态。混合态是若干纯态的非相干混合，纯态间不存在固定的关联关系，需要用一组态矢量与其在系统中对应出现的几率进行描述。
量子纯态和混合态有2种统一描述的方法：一是密度算符；二是波函数的几率幅。密度算符是用密度矩阵对物理体系状态进行描述，波函数的概率幅是用波函数对物理体系状态进行描述，2种方法是等价的。本文采用密度矩阵对量子进行测量，从而得出微观系统运动规律的全部信息。
量子纠缠态可以用密度算符建立密度矩阵进行评判。若体系密度能表示成密度算符直积线性和的形式，那量子态就是处于可分离状态的。若体系密度不能表示成密度算符直积线性和的形式，那量子态就是处于纠缠状态的。
量子纠缠态的定量分析涉及量子纠缠的度量，将量子系统中量子纠缠态的大小进行量化。量子纠缠度量虽然缺少一般性的可操作的纠缠度量，但其理论基础已经比较完备，对于简单的两体纠缠描述是完整的。量子纠缠度量的基本方法有5种：部分熵纠缠度、形成纠缠度、可提纯纠缠度、相对熵纠缠度和共生纠缠度。下面的二能级原子与双模光场的相互作用模型将用形成纠缠度对两体纠缠进行度量分析，这是因为二能级原子和双模腔场会演化为混合态，而混合态中唯一具有计算公式的纠缠度是形成纠缠度。
依据上述量子态定义和度量工具的简要介绍，由此建立量子纠缠度的研究模型对纠缠态的演化进行展现。杰卡（JC）模型是单个二能级原子与单模光场的相互作用模型，通过光与物质的相互作用以描述自然界的主要物理性质。JC模型是利用原子波包的宽度与腔场模共振波长相比很小的条件，忽略原子在腔场中的运动，把原子视为静止，原子与光场的相互作用就相当于均匀分布在量化的光场中，从而得出哈密顿量用以描述单个二能级原子与单模光场的相互作用模型，再将哈密顿量放入薛定谔作用场景中，最后演化为纠缠的量子叠加态[4]。在JC模型的基础上，可以建立2个全同二能级原子与双模光场的相互作用模型，模型中对于成混合态的二原子，要采用部分转置矩阵的负本征值对原子间纠缠演化进行讨论。依据此模型的数学公式，可以得出原子间纠缠演化随失谐量变化的规律和原子与腔场间的耦合强度的变化与原子间纠缠周期大小的变化规律。原子间纠缠演化随失谐量变化的规律是失谐量越大，纠缠振幅越小，越接近最大纠缠。原子与腔场间的耦合强度的变化与原子间纠缠周期大小的变化规律是原子与腔场间的耦合强度越大，相互作用越强，原子间纠缠周期越小[5]。
3.2量子防错码的实现
量子通信节点具有量子计算功能，量子计算涉及量子退相干，量子退相干对量子计算有双重作用：一方面，量子退相干会导致量子叠加态的塌缩，造成量子计算持续间隔时间的大幅缩短，对量子计算起着阻碍作用；另一方面，量子计算完成时需要退相干返回一个计算结果，呈现一个经典的物理态。由此可见，量子退相干对于量子通信是十分重要的，对量子退相干进行定量分析和减小其对量子计算的负面影响是业界研究的重点。
量子比特就是量子态的叠加，量子态的演化遵循薛定谔作用场景，量子比特的传态就是将量子态进行传递，利用测量将量子态信息进行提取，再通过量子态的幺正变换还原出量子态，最后实现量子通信。测量仪器的介入会破坏量子态的相关性，依据海森堡的不确定性原理可知，测定一个量会导致另一个量不能被准确测量，测量行为的扰动会造成量子相干行为的模糊，引起量子态的退相干。
量子退相干理论从上世纪70年代以来，取得了长足的发展，逐步形成量子力学的一个重要分支。量子退相干可以认为是环境和系统的相互作用，用矩阵密度可以描述系统的退相干过程，在密度矩阵中呈现了退相干的数理关系，密度矩阵的对角线上的参数是退相干后的经典物理的几率态，而其他密度矩阵非对角线上的参数是量子相干态。从矩阵密度参数由非对角线变化向对角线变化，就可以模拟出量子退相干的演化过程。
在量子退相干理论研究基础上，克服量子退相干的方法取得了实质性的进展，量子编码是其中的重要途径。量子编码主要有3种方案：量子纠错码，量子避错码和量子防错码。量子纠错码和量子避错码是基于冗余的经典信息处理方法的衍生，实现难度很大。量子防错码属于另辟道路的创新方法，由郭光灿为代表的科学家们提出，利用相干保持态，也就是量子退相干过程中不遭破坏的量子特殊态，以达到无退相干的可靠量子计算目的。在实际操作中，量子避错码被验证是可行的，并且改变量子测量仪器和被测系统之间的耦合系数可以减小量子退相干。
量子退相干与宏观测量仪器建立起的关联，体现了量子测量的本质，把量子相关性放大到了宏观层面，是一种具体的表现。退相干时间的延长是量子通信实现的关键，量子退相干时间越长相应的计算次数就越多，量子计算的能力也就越强。根据量子纠缠的研究理论模型，采用量子度量是可以得出量子退相干的时间尺度的。上文已表述出，量子退相干是矩阵密度的对角线化过程，那么退相干时间尺度的研究仍然是可以放置在哈密顿空间中，采用线性熵对时间进行微扰展开，从而得出量子退相干的时间尺度度量方法。
量子退相干的时间尺度度量实现如下：首先将相互作用的子系统用哈密顿量表示；再将系统密度算符演化为薛定谔表象；最后用线性熵得出退相干时间尺度的数学表达式。在公式中，只要哈密顿量和初始态确定，系统退相干时间就能求出。量子退相干时间尺度根据其研究模型，可以得出量子退相干的影响因素，就是原子初始状态、原子间偶极相互作用、原子与光场的耦合强度和粒子场数。在计算机上进行模拟，可以得出以下规律：原子初始状态能影响原子与场的纠缠度、粒子场能影响原子与场的纠缠周期和纠缠幅度、原子与场的耦合强度影响原子与场的演化周期和原子间耦合相互作用能影响原子与场的纠缠周期和纠缠幅度。
在量子纠缠量的制备上，对上述量子退相干影响因素进行合理的控制，能极大提升量子计算性能，对量子通信的实现也具有巨大的实际意义。
3.3量子通信及其简要实现
量子通信在现实世界中的实现是建立在量子纠缠制备和隐形传态基础之上的。量子纠缠制备是指产生EPR （electron paramagnetic resonance，电子顺磁共振）源，其作用是与承载信息的未知量子态发生关联，以此为未知量子态隐形传态创造前提条件。量子纠缠制备的方法主要有3种：自发参量下转换制备光子纠缠，QED（腔量子电动力学）法和离子阱法，这里只对自发参量下转换制备光子纠缠进行简要介绍。
自发参量下转换制备光子纠缠分I型和II型。I型是光泵浦源经过同质多晶体产生偏振相同且均垂直于泵浦光偏振方向的双光子，形成时空频相互纠缠的双光子态。II型是光泵浦源经过同质多晶体产生偏振相同且相互垂直于泵浦光偏振方向的双光子，形成偏振纠缠的双光子态。
隐形传态是指利用EPR纠缠制备，先测量Alice（爱丽丝）中EPR（爱波罗）中的一个光子与承载信息的未知量子态光子的相互关联态，再将测量信息通过经典通道传递至Bob（博比），最后在Bob中利用量子门将承载信息的未知量子态进行恢复。这里的Alice是发送的代名词，而Bob是接收的代名词。隐形传态突出了量子通信的本质，利用非局域非实在性传递量子态，这与传统通信中信号载体的实体传送有很大的不同，传态是量子通信的本质特征，传送是传统通信的本质特征。
隐形传态的原理如图1所示，当中的内容要点有2个：一是量子比特；二是量子门。量子比特在数学表达式中是0态和1态的相加表示。常用的BELL（贝尔）基是基于正交完备的4个矢量态，用于双子系统的纠缠可能态描述。量子门是操作量子态的量子逻辑电路，常用的量子门有H门（霍达玛门）和CNOT门（受控非门），H门能操作量子态具有正交态，CNOT能操作量子呈原态或反态，H门和CNOT门进行组合能产生基于BELL基的量子纠缠态。BELL态的制备量子门构成如图2所示。
3.4量子通信研究发展及应用
量子通信的实施起源于1979年业界提出的经典通信复杂度这一概念。通信复杂度是指通信信道双方分别拥有一部分输入，共同完成某个布尔函数运算，双方都能获知对方的正确函数值，基于这种情况所需的最小通信量。首个关于量子通信复杂度的方案是由姚期智提出的，方案中设想了一个量子通信复杂度的模型，通信信道的双方都各自拥有一组函数输入和一组初始态量子比特，一方发起运算，通过量子幺正变化，传送至另一方，另一方测量量子态获得函数的输出结果[6]。姚期智的量子通信复杂度方案与经典通信复杂度方案在结果上是一样的，并没有减少通信复杂度，也就是N个量子未能实现大于N个经典信息的传递。
纠缠模型的出现首次证明了N个量子可以传递大于N个经典信息的传递。EPR纠缠态作为量子信道，传送经典信息的同时也完成了量子态的传送。与经典信息传送不同的是，通信信道双方要共享一组处于最大纠缠态的量子比特，通过量子纠缠态的相关性，实现隐态传送。随着量子通信研究的深入，诞生了量子纠缠制备装置、量子信道及测量装置。1997年，潘建伟等人实现了量子通信的长距传输。在此项成果中，解决了量子纠缠态纯化的问题。量子纠缠态容易受到噪声影响，各空间点都有噪声分布，其品质会随着传送距离的增加而大幅下降，直接影响通信质量。通过对影响量子纠缠态的纯化因子的控制，从而从各种量子纠缠态中提取最大纠缠态，以实现量子通信长距的可靠隐形传态。
最近，世界上第一台量子路由器由姚期智所带领的团队研制成功。此量子路由器采用了基于离子阱的实现方案，实现了量子信号控制量子信号所经过路径的功能。此量子路由器的创新点在于，将一个具有水平和垂直偏振叠加态的光子通过参量变换转化为一对低能量的纠缠光子，这对纠缠光子同样具有偏振叠加态，量子路由器就可以通过一个光子的偏振态作为控制信号去判断另一承载数据光子的路由。根据此项技术的突破，国家973计划的量子通信项目将取得重大进展，基于离子阱的量子网络雏形将于2年后完成。
4结束语
量子通信是未来网的主流通信技术，量子纠缠和量子退相干的应用，对于量子通信起着至关重要的作用。量子微观性在宏观中的放大，是未来通信发展的一种新思路。量子纠缠的“灵魂漂移”，是一种量子式的非局域的客观存在，体现着跨空间的关联。测量在量子应用中，怎样遵循量子不确定性，对于量子应用来讲是具有巨大科学意义的。退相干是量子通信能力的标尺，延长退相干的时间尺度，对于量子通信设备的开发具有广阔的市场前景。文中未罗列具体的数学公式，意在对量子通信实现的思路及关键性问题进行阐述，为大家打开一扇对量子通信进行了解和思考的窗口。
参考文献：
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[2]苏晓琴，郭光灿.量子通讯与量子计算[J].量子电子学报，2004（6）：7882.
[3]冯舸，王华军，谢羽佳.基于存储过程的累积实现[J].数字通信，2012（5）：5961.
[4]张困锋.量子纠缠的若干问题研究[D].太原：山西大学，2004.
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[6]林功伟.量子网络的物理实现[D].合肥：中国科学技术大学，2011.
（责任编辑迟蕾）
作者：唐彦
量子隐形传态通信技术论文 篇3：
基于概率信道的远程制备三比特态方案与实验研究
摘 要：量子通信是一项涉及量子力学和物质量子特性的新型通信技术，具有高效性和在理论上的无条件安全性等特性，使其在电子通信、金融安全和军事工业等领域有着广泛的应用前景。为了从实践应用的角度讨论量子通信，本文讨论基于Greenberger-Horne-Zeilinger （GHZ）概率信道的远程制备三比特量子态的方案并以单量子比特为例，通过IBM量子实验平台进行量子系统隐形传态实验，验证该系统的保真度为0.819。远程利用量子计算机进行线路模拟仿真的实验，为今后进一步理论和实践研究做好铺垫。
关键词：量子远程态制备;振幅阻尼噪声;保真度;IBM量子实验
文献标识码： A
量子隐形传态（Quantum Teleportation）[1]由Bennett于1993年提出，它是指在发送和接收方甚至没有量子通信信道连接的情况下，移动量子状态的一项技术[2]。2000年，H. K. Lo通过理论上的深入研究，提出了量子远程态制备（Quantum Remote State Preparation，RSP）[3]，Bennett等在远程态制备中的量子纠缠资源与经典信息代价的交换关系进行了探索[4]。与隐形传态不同的是RSP中的发送方已知所传送的量子态，并且在经典通信中的消耗只达到量子隐形传态的一半[5]。魏家华等实现了单粒子在接收方未了解量子纠缠信道参数的条件下的概率远程态制备[6]。刘金明等研究了在耗散环境中实现两粒子的远程态制备[7]。但是由于来自环境等诸多因素的影响，实际情况中，难以完成最大量子纠缠态制备[8]GHZ〉=12（000〉+111〉），一般得到非最大量子纠缠态GHZ〉=a000〉+b 111〉，以该形式作为量子通信信道是概率性的，其通信成功率将小于1。基于此研究成果，为了提高量子通信的可扩展性，本文利用三粒子非最大量子纠缠GHZ量子态，研究了概率性的远程态制备方案。为了将理论计算在量子计算机上实现，本文利用IBM量子实验平台，实现单比特隐形传态实验，得到该系统保真度为0.819。最后以振幅阻尼噪声为例，分析其对系统保真度的影响，即对GHZ信道的干扰。
2 基于IBM Q的单比特量子隐形传态实验
IBM量子实验平台是2016年IBM公司发布的一个基于超导量子态的5量子位通用量子计算机原型，它面向所有用户并可在云上访问。为了满足研究人员对基于量子处理器进行真实实验的需求，该平台提供了两种最常用的量子计算机原型，分别为IBM Q 5 Yorktown （5量子位）， IBM Q 5 Tenerife （5量子位）。在实验中，我们运用Hadamard门，X、Y、Z门（泡利矩阵），旋转门S，S，T，T， Controlled-NOT （C-NOT）等门集来实现酉变换[10]。由于芯片布局不同，导致C-NOT中的控制量子位与目标量子位的选择需要考虑特殊的量子位实现，从而需要根据量子线路图的设计选择不同的芯片。针对该问题，IBM 量子实验平台做出了相对应的改进，使得用户可以自定义拓扑结构，十分有利于实验的便捷操作，本实验即是基于自定义拓扑结构进行研究。
通信双方是Alice和Bob，在两者分开之前，两者产生了一个EPR对，分开时每人带走EPR中的一個量子比特，分开后Alice需要向Bob发送一个量子比特ψ〉，并与在Alice处的部分EPR对信息作用，然后测量此处的两个量子比特，得到可能的结果中的一个，并将信息发送给Bob，从而Bob根据Alice的信息，对他所拥有的EPR对信息进行操作，最后恢复原始的ψ〉。
如图1所示，q[0]即是Alice，q[2]即是Bob，该实验分为三个部分，（a）Alice需要传输给Bob的量子态ψ〉=130〉+231〉，q[1]和q[2]是EPR对[11]Ω〉=12（00〉+11〉）。（b）通过C-NOT门、Hadamard门、受控X门和受控Z门，最终将信息传送到q[2]。（c）量子比特进行投影测量，从而得到Alice传输给Bob的量子态ψ〉。
当量子保真度值接近于1时，两量子态ρ和σ间距离最近[12]。已知Alice发送的0〉的概率信息为0.33，发送1〉的概率信息为0.67，通过量子隐形传态，Bob接收的0〉的概率信息为0.403，1〉的概率信息为0597，通过式（6）计算得到系统保真度为0819。由此可知，该三比特量子远程态制备系统的通信效果较好，但是依然存在着其他因素影响量子远程态制备的质量，比如量子通信系统中量子门的误差，量子与量子门之间产生的误差，以及信道中的噪声。
3 基于振幅阻尼信道的远程制备单比特方案的研究
量子噪声，是使量子比特的本征态与量子系统所产生的非理想性交互作用的所有因素[12]。基于开放量子系统的研究，当噪声影响到信道时，会形成量子噪声信道模型，而振幅阻尼噪声会对信道振幅产生影响，它依据噪声算子的形式确定噪声系数值，从而改变了信道原有振幅。
3.1 基于振幅阻尼信道的远程制备单比特方案分析
基于振幅阻尼信道的远程制备单比特方案主要包括三个步骤[13]。
如图2（a）所示，当m0-m1=π2时，量子系统的保真度F随着λ的增大，其变化程度逐渐减小，当λ=0时，该曲线所有的保真度值都为1，此时量子系统处于无噪声状态。当a1=a0=0.7、λ=0时，量子系统保真度得到最小值，即量子系统的偏移度最大。当a1=0时，所有曲线保真度F取最大值，达到量子系统的偏移度最小值。如图2（b）所示，在a1=0时，达到量子系统的最大保真度，当a1=1、λ=1以及a1=0.7、λ=0时，保真度值达到最小值，即量子系统偏移度最大。
当相位差为m0-m1=π时，同m0-m1=π2的情况。综合所有情况的仿真结果，显然，若需提高量子系统的保真度，需尽可能根据要求调整相位差、a1和λ的值，降低损耗，达到最佳的量子通信状态。
4 结语
本文研究了基于GHZ概率信道远程制备三比特态的具体方案，通过以三粒子非最大量子纠缠GHZ态作为通信信道，经过系数信息和相位信息的测量，以18bdf2的概率成功制备想要的量子态。然后基于IBM量子计算平台，单量子系统隐形传态的实验，验证得保真度为0.819的量子通信系统。另外，考虑到实际量子系统的不封闭性，将振幅阻尼噪声加入GHZ信道中以达到模拟现实环境的效果，通过计算该量子系统的保真度表达式，得到相位差、系数信息和噪声系数都对系统保真度产生影响的结论，因此在实际应用中，需要使三者达到平衡，使得量子通信系统效果最佳。在后续研究中，需要在提高系统保真度和可扩展性这两个方面继续深入拓展。
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（責任编辑：周晓南）
作者：尹舟洋 王旭 杨若傲