基于腔QED的量子网络即时通讯

王光辉

（湖北汽车工业学院 科技学院，湖北 十堰 442002）

基于腔QED的量子网络即时通讯

王光辉

（湖北汽车工业学院 科技学院，湖北 十堰 442002）

提出了一种在实验上可行的利用腔QED实现的量子通信方案。这种方案的优点是原子与腔相互作用时在经典驱动和大失谐的条件下，不再受腔衰减和热场的影响，Bell基的测量转变为原子态的测量，从而使多人之间的量子即时通信较容易实现。

腔QED；Bell基；局域操作；量子网络；即时通讯

量子信息是物理学中一个年轻分支，自1970年Wiesner提出量子通信想法30年间，人们对量子信息这一跨学科综合性领域的理论和实验研究取得了长足进展［1-4］。1993年Bennett等［5］人提出了分离变量量子隐形传态方案；1994～1995年 Davidovich等人和Sleato等［4,6］人提出了基于Bell基联合测量的量子态传送方案；1994年和 1995年，Cirac等人，1996年，Moussa等人，1997年，郑仕标和郭光灿等［7-11］提出了一系列基于腔量子电动力学（腔QED）量子隐形传态方案；1997年12月，奥地利 Innsbruck的 Zeilinger小组在实验上首次演示成功了量子隐形传态，这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地光子传送到乙地光子上。2001年,路洪、叶柳和郭光灿等［12-14］人利用纠缠交换方法在理论上实现了两粒子和三粒子纠缠态概率隐形传态,且成功概率只决定于作为量子通道的纠缠态较小迭加系数；2002年,叶柳和郭光灿等［15］提出用非局域测量实现量子态隐形传送方案；2002年,郑亦庄、顾永建和郭光灿等［16］利用非最大纠缠态作为量子通道,来实现三粒子纠缠W态隐形传送；2003年，曹卓良等［17］人用光子作为李万里等人方案中辅助粒子，由原子与光场相互作用来实现概率隐形传态，此方案简单易行，只需调节原子注入速度，然后再对光场进行探测即可，克服了在实验上难以实现一般幺正变换的缺点。目前量子隐形传态、稠密编码、密钥分配等方案都是一对一通信，随着量子技术不断进步多点通信将是一个必然趋势。Zheng和 Guo［18］提出的模型，原子与腔相互作用在大失谐情况下，可有效避免腔衰减和热场影响，并且4个Bell基测量可变的简捷、准确［19］。本文基于此种模型，提出了一种量子网络即时通信方案，利用腔QED技术可以使处于量子网络中的多人实时地进行通信。

2 理论模型与计算公式

考虑2个全同两能级原子同时与一个单模场相互作用，同时这2个原子受一个经典外场驱动，

考虑ω0=ωd，在相互作用绘景中系统相互作用哈密顿量为

式中：δ—原子转换频率ω0与腔频ω之间的调谐。

定义新的原子基矢

那么原子1，2所有可能态在腔中演化结果为

因此，对Bell基的直接测量变为对1，2原子态的单独测量。从而对Bell基的测量变得简单、准确。

3 通讯过程

如果处于量子网络中的任意2个人之间进行通信，可以使用基于腔QED的量子隐形传态方案进行通信，本文不再赘述。

如果量子网络中的任意一个人要同时与另外的2个人进行信息交流，目前的基于腔QED的量子方案还不能满足要求。本文介绍一种方案来实现3人间的通信。假设Alice拥有A,B原子对

假设Bob拥有原子1，Charlie拥有原子2。Alice为把信息传送给Bob和Charlie，首先将信息编入原子对A，B中,对粒子A作4种局域操作{I,σx,iσy, σz}（I是单位算符,σi泡利算符）之一。A，B原子态将变为下面4种结果中的一种

然后 Alice将原子 A，B分别发送给 Bob和Charlie，Bob和Charlie现在分别拥有2个原子A，1和B，2。

表1 原子Bell基的改变

显而易见，在以上演化过程中原子1，2 Bell基的改变与原子A，B Bell基的改变是一一对应的。

Bob和Charlie将各自拥有的原子对任意交换一个原子,假设Bob将自己拥有的原子1交换Charlie的原子B,则Bob拥有原子A，B，Charlie拥有原子1，2。然后分别对各自拥有的原子对进行Bell基测量。由式（16）提供的方法Bob和Charlie可很容易得到原子A，B和原子1，2的Bell基,同时公布结果,这样就可同时得到Alice发送的信息。

如果Alice要同时与n（n≥3）个人通信，假设Alice仍然拥有原子对A，B

（假设拥有粒子的人的编号与所拥有粒子的编号相同）。Alice对A，B粒子执行式（19）相同的局域操作将传送信息编入其中。然后将A，B粒子发送给n个人中的任意2个，假设Alice将A粒子发送给了第p个人，将B粒子发送给第t个人且3≤p＜t≤n。现在第p个人和第t个人分别拥有2个粒子A，p和B，t。第p个人和第t个人分别将拥有的2对粒子放入腔中进行式（20）演化，然后任意交换1个粒子。假设现在第p个人拥有粒子A，B，第t个人拥有粒子1，2。n个人分别对各自拥有的粒子进行测量，然后公布他们的测量结果。根据表2中对应关系n个人会同时得到Alice发送的信息。

表2 局域操作对照表

续表2局域操作对照表

目前在试验上,具有量子数49，50和51的Rydbeg原子［21］,辐射时间Tr大约为3×10-2s,耦合常数g为2π×24 kHz原子—腔—场相互作用所需要的时间T大约为10-4，远小于原子辐射时间Tr。同时原子演化与腔和场状态无关,因此以目前的腔QED技术，这种方案是可实现的。

4 小结

提出了一种外场驱动下在腔QED中实现量子网络即时通讯方案，并详细讨论了3人和多人即时通讯方案。此方案最大的优点就是不需要对原子进行Bell基测量，同时腔场耗散以及外界热场环境的影响都可以忽略。因此，本方案可在实验上较容易的实现。

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［14］Lu H,Guo G C.Teleportation of a two-particle entangled state via entanglement swapping［J］.Phys.Lett.A,2000,276:209.

［15］Ye L,Guo G C.Probabilistic teleportation of an unknown atomic state［J］.Chin.Phys.,2002,11(10): 0996.

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［17］曹卓良.量子信息中的腔QED技术［D］.合肥:中国科学技术大学量子信息重点实验室,2003:36041.

［18］Zheng S B，Guo G.C.Efficient scheme for two-Atom entanglement and quantum information processing in cavity QED［J］.Phys.Rev.Lett.,2001,85:2392.

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［20］Ye L，Guo G C,Scheme for implementing quantum dense coding in Cavity QED［J］.Phys.Rev.A,2005, 71:034304.

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Simultaneous Communication of Quantum Network via QED

Wang Guanghui
（Science and Technology College,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

Based on cavity QED,an experimental scheme of simultaneous communication of quantum network was proposed.The advantages of this scheme were insensitive to the cavity decay and the thermal field when the atoms interacted simultaneously with a highly detuned cavity mode with the assistance of a classical field and Bell states can be exactly distinguished via detecting the atomic states，and the three people or more simultaneous communication of quantum network can be realized easily.

cavity QED;Bell state;local operation;quantum network;simultaneous communication

O413.2

A

1008-5483（2010）01-0060-05

2011-01-20

湖北汽车工学院科技青年基金项目

王光辉（1979-），男，山东莱芜人，硕士，从事量子光学及量子信息方面的研究。