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1、量子隐形传态基本理论摘要：本文介绍了量子隐形传态的基本原理及其理论的推广，包括概率量子隐形传态、多粒子态量子隐形传态和受控量子隐形传态等关键词：纠缠态，量子隐形传态，Bell基0引言量子信息学是由量子力学与信息科学结合而产生的一门交叉学科，当前量子信息学无论在理论还是在实验上都不断取得重大突破，显示了经典信息科学所无法比拟的优势。量子通信是量子信息学的一个非常重要的分支，借助于量子力学特性，实现经典通信无法比拟的高安全性信息处理和传输。量子通信是由量子力学定律引入传统通信中，其安全性由量子力学的基本原理所保证，如未知量子位不可
2、克隆、非正交量子态不可识别、量子态测量无法不扰动系统状态等，可以实现绝对安全的通信。量子通信理论是1993年由美国IBM的研究人员提出的，目前美国国家科学基金会、美国国防部等部门已经着手研究此项技术，欧盟从1999年开始研究，日本也从2001年将量子通信纳入十年计划。近年来在理论和实践上均已取得了重要突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视，成为研究的热点之一。量子通信按期所传输的信息为经典信息还是量子信息分为两类。传输经典信息的量子通信主要有两种方式：量子密钥分发（QuantumKeyDistribution，QKD
3、）和量子安全直接通信（QuantumSecureDirectCommunication，QSDC）。传输量子信息的量子通信方式主要是量子隐形传态（QuantumTeleportation），它是量子通信领域中最引人注目的方向之一。1993年，Bennett等四个国家的六位科学家联合在《Phys.Rev.Lett》上发表了一篇TeleportinganUnknownQuantumStateviaDualClassicalandEinstein-Podolsky-RosenChannels[1]的论文，开创了人们研究量子隐形传态的
4、的先河。所谓量子隐形传态，通俗地讲就是，将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原出来。由于量子力学的不确定性原理和量子不可克隆原理，我们无法将量子态的所有信息精确地全部提取出来，因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典信道和量子信道送到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原子态的全貌。1EPR效应和Bell基的测量1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(EinsteinPodolskyandRosen)三人提出一种被人们称为EPR佯谬的著名的假想实验[2]。这个实验的基本思想是:考虑一个由
5、两个粒子A和B组成的复合系统,初始时它们的总自旋为零,各自的自旋为,随后两个粒子沿相反方向传输,在空间上分开。若单独测量A(或B)的自旋,则自旋向上(或向下)的可能概率为1/2。但若已测得粒子A自旋向上(或向下),那么粒子B不管测量与否,必然会处在自旋向下(或向上)的本征态上。爱因斯坦等人认为,如果两个粒子分开足够远,对第一个粒子的测量不会影响第二个粒子。EPR佯谬正是基于这种定域论的观点提出的。爱因斯坦等人对量子测量中的定域性问题作了进一步分析后又明确指出:或者量子力学的描述不完备;或者量子力学不满足“定域性”的准则。他们是
6、倾向于物理现象必须满足“定域性”准则的,也就是不能有超光速的物理量的传递。然而波尔则持完全不同的看法,他认为粒子A和B之间存在着量子关联,不管它们在空间上分得多开,对其中一个粒子实施局域操作,必然同时导致另一个粒子状态的改变,这是量子力学的非局域性。这两种不同观点的本质在于:真实世界是遵从爱因斯坦的局域实在论,还是波尔的非局域理论。若前者正确则会导致量子力学不完备的结论;而若后者正确则会否定玻姆的隐变量理论而肯定量子力学的完备性。然而,随着量子光学的发展,越来越多的理论和实验支持了波尔的观点。目前学术界主流的结论是：量子力学是
7、正确的，非局域性是量子力学的基本特性。在量子力学理论中,人们习惯上将前面提到的半自旋粒子A和B(EPR对)的两个独立态(向上或向下)分别记为和,它们作为一个量子系统处于如下的量子态(称为EPR态):,(1.1)式中代表粒子A自旋向上的本征态,余类推。这实际上就是一种量子纠缠态。对处于(1.1)式所表示的量子态的体系,在被探测到之前,每一个粒子的自旋状态都是不确定的,只能单独预言粒子A(或B)测得自旋向上(或向下)的几率为1/2,一旦某个人测量了其中一个粒子(A或B)的自旋状态(向上或向下),另外一个粒子(B或A)自旋状态也就立
8、刻确定下来了(向下或向上),不论两个粒子相距多远,它们都处于这种相互关联状态,这就是前面提到的量子力学的非局域效应(nonlocaleffect).爱因斯坦等人对量子力学理论的责疑虽然被否定,但上述非局域性效应却是他们根据量子力学原理在EPR实验中揭示出来的,因此人们又称之为
