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双态体系中的量子态超空间转移

时间:2011-04-23  作者:秩名
对于两态量子纠缠的情况,可以由以下四个态构成完备基矢(即在空间中的最大纠缠只能由以下四种情况组成):

(2)

其中Ψ:代表奇宇称;Φ:代表偶宇称(宇称:所谓“宇称”,可理解为“左右对称”或“左右交换”,所谓“宇称不变性”就是“左右交换不变”。或者“镜象与原物对称”。在物理学中,对称不变性指的是物理规律在某种变换下的不变性。)

相位分别由+、-来表征,“+”和“-”之间的最大区别就是上述波函数如果能发生干涉现象的话,明暗条纹刚好相反。

以上四个基矢Ψ和Φ都是正交归一的,我们称之为bell基。

3.1.3 EPR论文中的EPR纠缠对

在EPR论文中假设:第一,两个粒子A 和B 组成的一对总动量总自旋为零的粒子对(后称为 EPR 对),两个粒子随后在空间上分开距离很大(可令一个在地球,一个在月球),当A和B自旋仍处于关联态上:仍对A粒子进行测量,如果观察其结果为自旋朝上时,意味着两粒子处于组合态上。发表论文。那么如果对B进行测量,可知其结果必为。而爱因斯坦等人对这两个粒子的关联状态叫做“纠缠态”。两个虽然测量事件是类空间隔(没有因果关系,没有时间次序先后的事件),但作为子系统的粒子本身已不独立,它们相互自旋的取值紧密关联,形成统一系统的一个统一状态。因此对粒子测量将影响(而不是如Einstein所认为的“不会影响”)取值。 不管A和B在空间上分得多开,对其中一个粒子实行局域操作,必然会导致另一粒子状态的改变,这是量子力学的“非局域性”。往后的实验也证明了这种超空间非局域关联的存在。在四个bell基中,我们发现,量子如果处于这种状态下,情况就如上述EPR论文中的粒子A和B,尽管相距甚远,但只要对其中一个粒子进行测量,便会们直接影响另外一个,他们处在中,机会各一半。如果这个波函数所描述的是电子自旋状态的话,它们的纠缠情况如图

图1 双电子自旋单重态示意图

这种状态我们称之为单重态,因为它们的总自旋量为零。

3.2 量子态的超空间转移

1993年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子态的超空间转移(即量子通信)的方案,其基本思想是:将原物粒子的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息;接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品,其原理图如下:

图2 量子态超空间转移原理图

其中U代表幺正变换,BS代表bell基测量

3.2.1基本步骤:

(1)假设我们要传送的是粒子1的量子态 ,在A地它处于一个未知的状态中:

(2)建立量子通道:即EPR 源的制备过程。为了传送量子信息,除粒子1外, 还需要另外两个粒子,我们称之为“粒子2”和“粒子3”,粒子2和粒子3必须是关联的。我们可以预先将2 和3 制备到如下的状态上: ,这个态是4个bell基之一,也是EPR论文中反复争论的关联态,所以我们称为EPR态。这个时候,让粒子2和粒子3分别处于途中的A地和B地。由于粒子1 并没有与粒子2 和粒子3 发生任何关联。因此,根据波函数定义,我们可以把上述3个粒子写成直积的形式:

(3)

(3)一切都准备就绪后,我们现在可以对处于A地的粒子1和粒子2进行联合bell基测量,测量之后,粒子1和粒子2就会纠缠在一起,成为新的量子纠缠对,而粒子2状态的改变在瞬时导致粒子3的状态坍塌,因此,上述3个粒子的波函数根据bell基测量还可以写成另外一个形式:

(4)

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