22、基于光子的量子信息科学探索

基于光子的量子信息科学探索

量子隐形传态协议概述

量子隐形传态协议是量子信息科学中的重要内容。其过程可分解为以下几个关键步骤：
1.辅助纠缠粒子对的分发：准备一对辅助的纠缠粒子（如粒子 2 和 3）。
2.贝尔态测量：对粒子 1 和 2 进行贝尔态测量，也就是将其投影到最大纠缠粒子的完备基上。
3.经典信息的传输：将贝尔态测量的结果作为经典信息进行传输。

接收经典信息后，粒子 3 的状态与初始状态 $|\Psi\rangle$ 的关系就完全确定了，通过对粒子 3 进行一个明确的幺正变换 $U$，就能恢复初始状态。

避免受控非门操作

在一些量子通信方案的准备步骤中，受控非（CNOT）操作常用于将任意初始量子态编码到多粒子纠缠态上。但实际上，并不一定需要对任意输入态进行编码。根据量子隐形传态方案，任意量子态的传输可分解为已知纠缠态的传输、局部贝尔态测量以及经典信息的传输。因此，要实现无差错的量子通信，只需排除固定纠缠态中某个粒子的错误传输即可。

考虑处于如下状态的一对纠缠光子：
$|\Psi\rangle_{23} = \frac{1}{\sqrt{2}} (|0\rangle_2|0\rangle_3 + |1\rangle_2|1\rangle_3)$

为了检测光子 2 传输过程中的错误，可制备如下状态：
$|\Psi\rangle_{234} = \frac{1}{\sqrt{2}} (|0\rangle_2|00\rangle_{34} +