王光輝

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院，湖北 十堰 442002）

基于腔QED的量子網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通訊

王光輝

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院，湖北 十堰 442002）

提出了一種在實(shí)驗(yàn)上可行的利用腔QED實(shí)現(xiàn)的量子通信方案。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是原子與腔相互作用時(shí)在經(jīng)典驅(qū)動和大失諧的條件下，不再受腔衰減和熱場的影響，Bell基的測量轉(zhuǎn)變?yōu)樵討B(tài)的測量，從而使多人之間的量子即時(shí)通信較容易實(shí)現(xiàn)。

腔QED；Bell基；局域操作；量子網(wǎng)絡(luò)；即時(shí)通訊

量子信息是物理學(xué)中一個(gè)年輕分支，自1970年Wiesner提出量子通信想法30年間，人們對量子信息這一跨學(xué)科綜合性領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究取得了長足進(jìn)展［1-4］。1993年Bennett等［5］人提出了分離變量量子隱形傳態(tài)方案；1994～1995年 Davidovich等人和Sleato等［4,6］人提出了基于Bell基聯(lián)合測量的量子態(tài)傳送方案；1994年和 1995年，Cirac等人，1996年，Moussa等人，1997年，鄭仕標(biāo)和郭光燦等［7-11］提出了一系列基于腔量子電動力學(xué)（腔QED）量子隱形傳態(tài)方案；1997年12月，奧地利 Innsbruck的 Zeilinger小組在實(shí)驗(yàn)上首次演示成功了量子隱形傳態(tài)，這是國際上首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地光子傳送到乙地光子上。2001年,路洪、葉柳和郭光燦等［12-14］人利用糾纏交換方法在理論上實(shí)現(xiàn)了兩粒子和三粒子糾纏態(tài)概率隱形傳態(tài),且成功概率只決定于作為量子通道的糾纏態(tài)較小迭加系數(shù)；2002年,葉柳和郭光燦等［15］提出用非局域測量實(shí)現(xiàn)量子態(tài)隱形傳送方案；2002年,鄭亦莊、顧永建和郭光燦等［16］利用非最大糾纏態(tài)作為量子通道,來實(shí)現(xiàn)三粒子糾纏W態(tài)隱形傳送；2003年，曹卓良等［17］人用光子作為李萬里等人方案中輔助粒子，由原子與光場相互作用來實(shí)現(xiàn)概率隱形傳態(tài)，此方案簡單易行，只需調(diào)節(jié)原子注入速度，然后再對光場進(jìn)行探測即可，克服了在實(shí)驗(yàn)上難以實(shí)現(xiàn)一般幺正變換的缺點(diǎn)。目前量子隱形傳態(tài)、稠密編碼、密鑰分配等方案都是一對一通信，隨著量子技術(shù)不斷進(jìn)步多點(diǎn)通信將是一個(gè)必然趨勢。Zheng和 Guo［18］提出的模型，原子與腔相互作用在大失諧情況下，可有效避免腔衰減和熱場影響，并且4個(gè)Bell基測量可變的簡捷、準(zhǔn)確［19］。本文基于此種模型，提出了一種量子網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通信方案，利用腔QED技術(shù)可以使處于量子網(wǎng)絡(luò)中的多人實(shí)時(shí)地進(jìn)行通信。

2 理論模型與計(jì)算公式

考慮2個(gè)全同兩能級原子同時(shí)與一個(gè)單模場相互作用，同時(shí)這2個(gè)原子受一個(gè)經(jīng)典外場驅(qū)動，

考慮ω0=ωd，在相互作用繪景中系統(tǒng)相互作用哈密頓量為

式中：δ—原子轉(zhuǎn)換頻率ω0與腔頻ω之間的調(diào)諧。

定義新的原子基矢

那么原子1，2所有可能態(tài)在腔中演化結(jié)果為

因此，對Bell基的直接測量變?yōu)閷?，2原子態(tài)的單獨(dú)測量。從而對Bell基的測量變得簡單、準(zhǔn)確。

3 通訊過程

如果處于量子網(wǎng)絡(luò)中的任意2個(gè)人之間進(jìn)行通信，可以使用基于腔QED的量子隱形傳態(tài)方案進(jìn)行通信，本文不再贅述。

如果量子網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)人要同時(shí)與另外的2個(gè)人進(jìn)行信息交流，目前的基于腔QED的量子方案還不能滿足要求。本文介紹一種方案來實(shí)現(xiàn)3人間的通信。假設(shè)Alice擁有A,B原子對

假設(shè)Bob擁有原子1，Charlie擁有原子2。Alice為把信息傳送給Bob和Charlie，首先將信息編入原子對A，B中,對粒子A作4種局域操作{I,σx,iσy, σz}（I是單位算符,σi泡利算符）之一。A，B原子態(tài)將變?yōu)橄旅?種結(jié)果中的一種

然后 Alice將原子 A，B分別發(fā)送給 Bob和Charlie，Bob和Charlie現(xiàn)在分別擁有2個(gè)原子A，1和B，2。

表1 原子Bell基的改變

顯而易見，在以上演化過程中原子1，2 Bell基的改變與原子A，B Bell基的改變是一一對應(yīng)的。

Bob和Charlie將各自擁有的原子對任意交換一個(gè)原子,假設(shè)Bob將自己擁有的原子1交換Charlie的原子B,則Bob擁有原子A，B，Charlie擁有原子1，2。然后分別對各自擁有的原子對進(jìn)行Bell基測量。由式（16）提供的方法Bob和Charlie可很容易得到原子A，B和原子1，2的Bell基,同時(shí)公布結(jié)果,這樣就可同時(shí)得到Alice發(fā)送的信息。

如果Alice要同時(shí)與n（n≥3）個(gè)人通信，假設(shè)Alice仍然擁有原子對A，B

（假設(shè)擁有粒子的人的編號與所擁有粒子的編號相同）。Alice對A，B粒子執(zhí)行式（19）相同的局域操作將傳送信息編入其中。然后將A，B粒子發(fā)送給n個(gè)人中的任意2個(gè)，假設(shè)Alice將A粒子發(fā)送給了第p個(gè)人，將B粒子發(fā)送給第t個(gè)人且3≤p＜t≤n?，F(xiàn)在第p個(gè)人和第t個(gè)人分別擁有2個(gè)粒子A，p和B，t。第p個(gè)人和第t個(gè)人分別將擁有的2對粒子放入腔中進(jìn)行式（20）演化，然后任意交換1個(gè)粒子。假設(shè)現(xiàn)在第p個(gè)人擁有粒子A，B，第t個(gè)人擁有粒子1，2。n個(gè)人分別對各自擁有的粒子進(jìn)行測量，然后公布他們的測量結(jié)果。根據(jù)表2中對應(yīng)關(guān)系n個(gè)人會同時(shí)得到Alice發(fā)送的信息。

表2 局域操作對照表

續(xù)表2局域操作對照表

目前在試驗(yàn)上,具有量子數(shù)49，50和51的Rydbeg原子［21］,輻射時(shí)間Tr大約為3×10-2s,耦合常數(shù)g為2π×24 kHz原子—腔—場相互作用所需要的時(shí)間T大約為10-4，遠(yuǎn)小于原子輻射時(shí)間Tr。同時(shí)原子演化與腔和場狀態(tài)無關(guān),因此以目前的腔QED技術(shù)，這種方案是可實(shí)現(xiàn)的。

4 小結(jié)

提出了一種外場驅(qū)動下在腔QED中實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通訊方案，并詳細(xì)討論了3人和多人即時(shí)通訊方案。此方案最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要對原子進(jìn)行Bell基測量，同時(shí)腔場耗散以及外界熱場環(huán)境的影響都可以忽略。因此，本方案可在實(shí)驗(yàn)上較容易的實(shí)現(xiàn)。

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Simultaneous Communication of Quantum Network via QED

Wang Guanghui
（Science and Technology College,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

Based on cavity QED,an experimental scheme of simultaneous communication of quantum network was proposed.The advantages of this scheme were insensitive to the cavity decay and the thermal field when the atoms interacted simultaneously with a highly detuned cavity mode with the assistance of a classical field and Bell states can be exactly distinguished via detecting the atomic states，and the three people or more simultaneous communication of quantum network can be realized easily.

cavity QED;Bell state;local operation;quantum network;simultaneous communication

O413.2

A

1008-5483（2010）01-0060-05

2011-01-20

湖北汽車工學(xué)院科技青年基金項(xiàng)目

王光輝（1979-），男，山東萊蕪人，碩士，從事量子光學(xué)及量子信息方面的研究。