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1、量子隱形傳態(tài)基本理論摘要：本文介紹了量子隱形傳態(tài)的基本原理及其理論的推廣，包括概率量子隱形傳態(tài)、多粒子態(tài)量子隱形傳態(tài)和受控量子隱形傳態(tài)等關鍵詞：糾纏態(tài)，量子隱形傳態(tài)，Bell基0引言量子信息學是由量子力學與信息科學結合而產(chǎn)生的一門交叉學科，當前量子信息學無論在理論還是在實驗上都不斷取得重大突破，顯示了經(jīng)典信息科學所無法比擬的優(yōu)勢。量子通信是量子信息學的一個非常重要的分支，借助于量子力學特性，實現(xiàn)經(jīng)典通信無法比擬的高安全性信息處理和傳輸。量子通信是由量子力學定律引入傳統(tǒng)通信中，其安全性由量子力學的基本原理所保證，如未知量子位不可
2、克隆、非正交量子態(tài)不可識別、量子態(tài)測量無法不擾動系統(tǒng)狀態(tài)等，可以實現(xiàn)絕對安全的通信。量子通信理論是1993年由美國IBM的研究人員提出的，目前美國國家科學基金會、美國國防部等部門已經(jīng)著手研究此項技術，歐盟從1999年開始研究，日本也從2001年將量子通信納入十年計劃。近年來在理論和實踐上均已取得了重要突破，引起各國政府、科技界和信息產(chǎn)業(yè)界的高度重視，成為研究的熱點之一。量子通信按期所傳輸?shù)男畔榻?jīng)典信息還是量子信息分為兩類。傳輸經(jīng)典信息的量子通信主要有兩種方式：量子密鑰分發(fā)（QuantumKeyDistribution，QKD
3、）和量子安全直接通信（QuantumSecureDirectCommunication，QSDC）。傳輸量子信息的量子通信方式主要是量子隱形傳態(tài)（QuantumTeleportation），它是量子通信領域中最引人注目的方向之一。1993年，Bennett等四個國家的六位科學家聯(lián)合在《Phys.Rev.Lett》上發(fā)表了一篇TeleportinganUnknownQuantumStateviaDualClassicalandEinstein-Podolsky-RosenChannels[1]的論文，開創(chuàng)了人們研究量子隱形傳態(tài)的
4、的先河。所謂量子隱形傳態(tài)，通俗地講就是，將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)在乙地的另一粒子上還原出來。由于量子力學的不確定性原理和量子不可克隆原理，我們無法將量子態(tài)的所有信息精確地全部提取出來，因此必須將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別由經(jīng)典信道和量子信道送到乙地，根據(jù)這些信息，在乙地構造出原子態(tài)的全貌。1EPR效應和Bell基的測量1935年,愛因斯坦、波多爾斯基和羅森(EinsteinPodolskyandRosen)三人提出一種被人們稱為EPR佯謬的著名的假想實驗[2]。這個實驗的基本思想是:考慮一個由
5、兩個粒子A和B組成的復合系統(tǒng),初始時它們的總自旋為零,各自的自旋為,隨后兩個粒子沿相反方向傳輸,在空間上分開。若單獨測量A(或B)的自旋,則自旋向上(或向下)的可能概率為1/2。但若已測得粒子A自旋向上(或向下),那么粒子B不管測量與否,必然會處在自旋向下(或向上)的本征態(tài)上。愛因斯坦等人認為,如果兩個粒子分開足夠遠,對第一個粒子的測量不會影響第二個粒子。EPR佯謬正是基于這種定域論的觀點提出的。愛因斯坦等人對量子測量中的定域性問題作了進一步分析后又明確指出:或者量子力學的描述不完備;或者量子力學不滿足“定域性”的準則。他們是
6、傾向于物理現(xiàn)象必須滿足“定域性”準則的,也就是不能有超光速的物理量的傳遞。然而波爾則持完全不同的看法,他認為粒子A和B之間存在著量子關聯(lián),不管它們在空間上分得多開,對其中一個粒子實施局域操作,必然同時導致另一個粒子狀態(tài)的改變,這是量子力學的非局域性。這兩種不同觀點的本質(zhì)在于:真實世界是遵從愛因斯坦的局域實在論,還是波爾的非局域理論。若前者正確則會導致量子力學不完備的結論;而若后者正確則會否定玻姆的隱變量理論而肯定量子力學的完備性。然而,隨著量子光學的發(fā)展,越來越多的理論和實驗支持了波爾的觀點。目前學術界主流的結論是：量子力學是
7、正確的，非局域性是量子力學的基本特性。在量子力學理論中,人們習慣上將前面提到的半自旋粒子A和B(EPR對)的兩個獨立態(tài)(向上或向下)分別記為和,它們作為一個量子系統(tǒng)處于如下的量子態(tài)(稱為EPR態(tài)):,(1.1)式中代表粒子A自旋向上的本征態(tài),余類推。這實際上就是一種量子糾纏態(tài)。對處于(1.1)式所表示的量子態(tài)的體系,在被探測到之前,每一個粒子的自旋狀態(tài)都是不確定的,只能單獨預言粒子A(或B)測得自旋向上(或向下)的幾率為1/2,一旦某個人測量了其中一個粒子(A或B)的自旋狀態(tài)(向上或向下),另外一個粒子(B或A)自旋狀態(tài)也就立
8、刻確定下來了(向下或向上),不論兩個粒子相距多遠,它們都處于這種相互關聯(lián)狀態(tài),這就是前面提到的量子力學的非局域效應(nonlocaleffect).愛因斯坦等人對量子力學理論的責疑雖然被否定,但上述非局域性效應卻是他們根據(jù)量子力學原理在EPR實驗中揭示出來的,因此人們又稱之為
