大规模纠缠态制备方法研究

杨 名

(安徽大学 物理与材料科学学院，安徽 合肥 230601)

多粒子纠缠态是量子信息处理过程中的重要物理资源，且多粒子纠缠态的规模(纠缠粒子数)越大，其在量子通信和量子计算中所体现出来的量子优越性越明显.故此，如何制备大规模纠缠态是目前量子信息领域的一个热点问题.

由于现有技术水平的限制，目前能够在实验上制备得到的多粒子纠缠态的规模有限，尚不能满足其在量子通信和量子计算中的应用要求.于是，研究人员在现有多粒子纠缠态制备技术的基础上提出了多粒子纠缠态的扩展和融合技术，以实现大规模纠缠态的有效制备.

基于多粒子纠缠结构的复杂性，可将多粒子纠缠态分为不等价的几类，不同类的多粒子纠缠态间不可通过经典通信和局域操作实现确定性转换.W态和GHZ态是多粒子纠缠态中的两个典型的非等价类，二者在不同的量子信息处理过程中发挥重要作用.

该专栏文章对基于扩展和融合技术的大规模W态和GHZ态的制备研究进展进行综述，旨在总结现有方案的优点和不足，并通过分析给出解决现有方案存在问题的可能方法及后续研究方向，为大规模纠缠态制备的实验实现提供理论参考.

该专栏共包含4篇综述文章，分别对无粒子损失的量子态融合机制、确定性量子态扩展机制、基于原子系统的量子态融合机制以及基于光学系统的量子态融合机制等分支进行文献梳理，系统介绍各分支的基本原理和最新的研究进展，并通过分析提出每个分支的后续可能研究方向.希望该专栏可为该领域的科研工作者提供最新的研究进展，尤其是为准备进入该领域的科研工作者提供系统的前期研究背景知识.

现有的量子态融合机制会由于量子测量不可避免地损失参与融合的纠缠粒子，造成融合效率的降低，为提高融合过程的效率，科研人员提出了无粒子损失的量子态融合机制.杨名等的论文“无粒子损失的W态融合研究综述”就无粒子损失的量子态融合机制的最新研究进展进行综述，包括无粒子损失的量子态融合机制的物理原理和最新的物理实现方案.通过对比分析，该文给出了该分支的后续可能研究方向.

现有的W态扩展机制均只能概率性实现，为提高扩展的效率，科研人员提出了W态的确定性扩展机制.臧学平等的论文“基于扩展技术的大规模纠缠W态制备研究综述”简要介绍了现有的W态概率扩展机制的物理原理，重点对W态的确定性扩展机制的最新研究进展进行了综述，包括W态确定性扩展机制的物理原理和最新的物理实现方案.通过对比分析，该文给出了该分支的后续可能研究方向.

原子系统被认为是最具前景的量子硬件系统之一，因此在原子系统中实现大规模纠缠态的制备尤为重要.但处于激发态原子的自发辐射会降低融合方案的保真度，为了有效抑制原子的自发辐射，可利用Λ 型3能级原子的2个基态编码量子信息.计彦强等的论文“基于Λ型原子的纠缠态融合研究综述”对基于腔辅助和Rydberg原子反封锁效应的Λ 型3能级原子W态和GHZ态融合机制与最新研究进展进行了综述，并通过对比分析，给出了该分支的后续可能研究方向.

光学系统被认为是量子通信的最佳物理系统，因此大规模光子纠缠态的制备研究对于量子通信具有重要的学术意义和应用价值.虽然最早的量子态融合方案是基于光学系统提出的，但其融合效率较低，为提高光学系统W态的融合效率，基于弱交叉克尔非线性及量子点-微腔耦合系统科研人员提出了高效的W态融合方案.韩雪等的论文“基于线性光学系统的 W态融合研究进展”对基于弱交叉克尔非线性及量子点-微腔耦合系统的光子和电子自旋W态融合机制及最新研究进展进行了综述，并通过对比分析，给出了该分支的后续可能研究方向.