Chuyển vị lượng tử với trạng thái hai Mode kết hợp đối xứng và trạng thái hai Mode kết hợp phản đối xứng

CHUYỂN VỊ LƯỢNG TỬ VỚI TRẠNG THÁI HAI<br /> MODE KẾT HỢP ĐỐI XỨNG VÀ TRẠNG THÁI HAI<br /> MODE KẾT HỢP PHẢN ĐỐI XỨNG<br /> NGUYỄN ĐÌNH DŨNG - TRƯƠNG MINH ĐỨC<br /> Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế<br /> <br /> Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng trạng thái hai mode kết<br /> hợp đối xứng và hai mode kết hợp phản đối xứng làm nguồn rối lượng<br /> tử hai mode để chuyển vị lượng tử một trạng thái kết hợp. Đầu tiên,<br /> chúng tôi chỉ ra rằng trạng thái hai mode kết hợp đối xứng và hai mode<br /> kết hợp phản đối xứng bị đan rối theo [8]. Tiếp theo, sử dụng nguồn rối<br /> này để chuyển vị một trạng thái kết hợp. Cho thấy, trạng thái hai mode<br /> kết hợp đối xứng cho chuyển vị với độ trung thực 0.8 < Fav < 1, nhưng<br /> trạng thái hai mode kết hợp phản đối xứng thì không cho chuyển vị với<br /> độ trung thực Fav < 0.5.<br /> 1 GIỚI THIỆU<br /> Sự truyền và nhận thông tin một cách tức thời dựa trên tính chất của các hạt vi mô, khi<br /> đó bên gởi và bên nhận cùng chia sẻ với nhau một trạng thái rối lượng tử hai mode trở lên.<br /> Cách truyền, nhận thông tin này gọi là chuyển vị lượng tử. Mô hình chuyển vị đầu tiên<br /> được đưa ra bởi Bennett [3], sau đó nhiều mô hình khác được đưa ra như hình thức luận<br /> hàm Wigner [5], hình thức luận biên độ trực giao [6], trạng thái Fock [7]. Sau đó, bài báo<br /> của Janszky, Koniorczyk, Gabris đã đề cập phương thức đơn giản hơn được viết dưới dạng<br /> các trạng thái kết hợp. Sau đó, bài báo của Caves [4] đã thảo luận về quá trình chuyển vị<br /> lượng tử với trạng thái Gauss.<br /> Trong bài báo này, chúng tôi tổng quan lại quá trình chuyển vị lượng tử dưới hình thức<br /> các trạng thái kết hợp, từ trạng thái đo lường Bell [2], với độ trung thực trung bình và<br /> toán tử dịch chuyển được đưa ra tường minh hơn. Hơn nữa, chúng tôi sử dụng trạng thái<br /> hai mode kết hợp đối xứng và hai mode kết hợp phản đối xứng làm nguồn rối giữa bên gửi<br /> và bên nhận (là những trạng thái phi Gauss) có dạng:<br /> |ψ<br /> <br /> ⟩<br /> ab<br /> <br /> =√<br /> <br /> )<br /> (<br /> ⟩ ⟩<br /> ⟩ ⟩<br /> 1<br /> |α a |β b + |β a |α b ,<br /> 2(1 + x)1/2<br /> <br /> Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế<br /> ISSN 1859-1612, Số 04(24)/2012: tr. 28-34<br /> <br /> (1)<br /> <br /> CHUYỂN VỊ LƯỢNG TỬ VỚI TRẠNG THÁI HAI MODE KẾT HỢP...<br /> <br /> 29<br /> <br /> (<br /> )<br /> ⟩ ⟩<br /> ⟩ ⟩<br /> 1<br /> |β<br /> −<br /> |β<br /> |α<br /> |α<br /> ,<br /> (2)<br /> a<br /> b<br /> a<br /> b<br /> ab<br /> 2(1 − x)1/2<br /> ⟩ ⟩<br /> ⟨<br /> ⟩<br /> trong đó |α , |β là các trạng thái kết hợp, x = | α|β |2 = exp(−|α − β|2 ). Các trạng thái<br /> này dùng làm nguồn rối để chuyển vị lượng tử một trạng thái kết hợp theo mô hình chuyển<br /> vị lượng tử biến liên tục theo H. F. Hofmann, T. Ide, T. Kobayashi [1].<br /> và<br /> <br /> |ψ<br /> <br /> ⟩<br /> <br /> =√<br /> <br /> 2 KHẢO SÁT TÍNH ĐAN RỐI TRẠNG THÁI HAI MODE KẾT HỢP ĐỐI XỨNG VÀ<br /> HAI MODE KẾT HỢP PHẢN ĐỐI XỨNG<br /> Để thực hiện quá trình chuyển vị lượng tử cho trạng thái hai mode kết hợp đối xứng đưa<br /> ra ở phương trình (1) và hai mode phản kết hợp đối xứng đưa ra ở phương trình (2). Trước<br /> hết, các trạng thái này phải là các trạng thái rối lượng tử. Thật vậy, áp dụng điều kiện<br /> đan rối cho hệ hai mode do Hillery-Zubairy [9]<br /> ⟨Na Nb ⟩ − |⟨ab† ⟩|2 < 0.<br /> Với trạng thái hai mode kết hợp đối xứng, tiến hành tính toán ta được kết quả<br /> {<br /> [<br /> 1<br /> † 2<br /> ⟨Na Nb ⟩ − |⟨ab ⟩| =<br /> − (α∗ β − αβ ∗ )2 + 2x 4|αβ|2 − (αβ ∗ + α∗ β)<br /> 2<br /> 4(1 + x)<br /> }<br /> ]<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> 2 2<br /> × (|α| + |β| ) − x (|α| − |β| ) .<br /> <br /> (3)<br /> <br /> (4)<br /> <br /> Nếu chọn αβ ∗ là số thực và dương, lúc đó biểu thức trên được viết lại thành<br /> {<br /> }<br /> (<br /> )2<br /> ( 2<br /> )<br /> 1<br /> † 2<br /> 2<br /> 2 2<br /> ⟨Na Nb ⟩ − |⟨ab ⟩| =<br /> × − 4x|αβ| |α| − |β| − x |α| − |β|<br /> .<br /> 4(1 + x)2<br /> Vế phải của phương trình trên là số âm, điều này đồng nghĩa với (3) được thỏa mãn, do<br /> đó trạng thái kết hợp hai mode kết hợp đối xứng là một trạng thái rối theo điều kiện rối<br /> Hillery-Zubairy.<br /> Bây giờ chúng ta tiến hành tính toán tương tự cho trạng thái hai mode phản kết hợp đối<br /> xứng, chú ý với trường hợp αβ ∗ là số thực và dương, chúng ta được kết quả<br /> {<br /> }<br /> (<br /> )2<br /> ( 2<br /> )<br /> 1<br /> 2<br /> 2 2<br /> ⟨Na Nb ⟩ − |⟨ab† ⟩|2 =<br /> ×<br /> 4x|αβ|<br /> |α|<br /> −<br /> |β|<br /> −<br /> x<br /> |α|<br /> −<br /> |β|<br /> 4(1 − x)2<br /> = R(α, β).<br /> (5)<br /> Đặt |β| = n|α|, khi đó ⟨Na Nb ⟩ − |⟨ab† ⟩|2 = R(α). Trạng thái này sẽ rối khi R(α) < 0. Kết<br /> quả khảo sát của R(α) theo Hình 1<br /> Trường hợp |β| = 0.5|α| ứng với đường liền nét và |β| = 0.2|α| ứng với đường đứt nét được<br /> khảo sát trên đồ thị cho ta thấy trạng thái này cũng là một trạng thái rối theo điều kiện<br /> Hillery-Zubairy nhưng với các biên độ kết hợp bé.<br /> <br /> 30<br /> <br /> NGUYỄN ĐÌNH DŨNG - TRƯƠNG MINH ĐỨC<br /> <br /> 0.3<br /> 0.2<br /> RHΑL<br /> <br /> 0.1<br /> 0.0<br /> <br /> -0.1<br /> -0.2<br /> -0.3<br /> <br /> 0.2<br /> <br /> 0.4<br /> <br /> 0.6<br /> Α<br /> <br /> 0.8<br /> <br /> 1.0<br /> <br /> Hình 1: Sự phụ thuộc của R(α) theo |α|.<br /> <br /> 3<br /> <br /> CHUYỂN VỊ LƯỢNG TỬ BIẾN LIÊN TỤC VỚI TRẠNG THÁI HAI MODE KẾT<br /> HỢP ĐỐI XỨNG VÀ HAI MODE KẾT HỢP PHẢN ĐỐI XỨNG<br /> <br /> Chuyển vị lượng tử diễn ra khi một trạng thái lượng tử được đưa vào hệ thống gửi (Alice)<br /> và chuyển giao cho hệ thống nhận (Bob) thông qua việc khai thác tính chất rối lượng tử<br /> giữa Alice và Bob. Giả sử Alice và Bob cùng chia sẻ một trạng thái rối lượng tử hai mode<br /> (trạng thái EPR) a và b là<br /> |ψ⟩ab = |Φ⟩a |Ψ⟩b ,<br /> (6)<br /> ở đây mode a dành cho Alice và mode b cho Bob, |Φ⟩a và |Ψ⟩b chứa các trạng thái kết hợp<br /> dạng |α⟩, trạng thái gốc ứng với mode c được đưa vào Alice có dạng của trạng thái kết<br /> hợp<br /> |ψ⟩in = |Ω⟩c .<br /> (7)<br /> Trước khi gửi thông tin cho Bob, Alice thực hiện phép tổ hợp trên ba mode<br /> |ψ⟩abc = |ψ⟩ab |ψ⟩in = |Φ⟩a |Ψ⟩b |Ω⟩c .<br /> <br /> (8)<br /> <br /> Tiếp theo, Alice thực hiện phép đo mức độ rối giữa hai trạng thái |ψ⟩ab và |ψ⟩in trên hai<br /> mode a và c trong một trạng thái biên độ trực giao Bell [2], kết quả đo được chứa trong<br /> √<br /> biến phức A = (X + iP )/ 2. Kênh thông tin cổ điển gửi tới Bob sẽ chứa giá trị của biến<br /> phức này, một bit chứa giá trị X và một bit chứa giá trị P . Chúng tôi viết lại tính chất<br /> của trạng thái Bell theo [9] như sau<br /> ˆ 1 (A) ⊗ D<br /> ˆ 2 (−A∗ )|B(0, 0)⟩12 = D(2A)<br /> ˆ<br /> |B(X, P )⟩12 = D<br /> ⊗ |B(0, 0)⟩12 ,<br /> và<br /> <br /> ⟨<br /> 2<br /> <br /> ψ|B(0, 0)⟩12 = τˆ|ψ⟩1 , do đó<br /> ⟨<br /> ⟨<br /> ⟨<br /> ˆ†<br /> ˆ<br /> τ † = 1 ψ ∗ |D(−2A),<br /> 12 B(X, P )|ψ⟩2 = 1 ψ|D (2A)ˆ<br /> <br /> (9)<br /> <br /> (10)<br /> <br /> ˆ<br /> ở đây D(α)<br /> = exp(αˆ<br /> a† − α∗ a<br /> ˆ) là toán tử dịch chuyển và τˆ là toán tử liên hợp phức được<br /> ∗<br /> định nghĩa là τˆ|ψ⟩ = |ψ ⟩. Việc thực hiện phép đo trên hai mode a và c là việc lấy tích<br /> <br /> CHUYỂN VỊ LƯỢNG TỬ VỚI TRẠNG THÁI HAI MODE KẾT HỢP...<br /> <br /> 31<br /> <br /> ⟨<br /> trong các trạng thái tương ứng ca B(X, P )| ⊗ |ψ⟩abc , sau khi đo, trạng thái ba mode sụp<br /> đổ, do Bob rối với Alice nên Bob sẽ có trạng thái (không chuẩn hóa) theo mode còn lại b,<br /> sử dụng (8) và (10) ta có<br /> ⟨<br /> ⟨<br /> ˆ<br /> |ψ⟩b = ca B(X, P )|Φ⟩a |Ψ⟩b |Ω⟩c = c Φ∗ |D(−2A)|Ω⟩<br /> c |Ψ⟩b .<br /> <br /> (11)<br /> <br /> Đây là một phiên bản của trạng thái gốc ban đầu, nó chưa phải là bản chính thức do các<br /> phép đo không hoàn toàn bên Alice. Chúng tôi viết lại (11) như sau<br /> |ψ⟩b = Tˆ(A)|Ψ⟩b ,<br /> <br /> (12)<br /> <br /> ⟨<br /> ˆ<br /> ở đây Tˆ(A) = c Φ∗ |D(−2A)|Ω⟩<br /> c là toán tử chuyển vị, tính chất của toán tử chuyển vị đã<br /> được đưa ra trong [1] dưới dạng trạng thái Fock. Toán tử chuyển vị không chỉ xác định<br /> tính chất của trạng thái lượng tử sau khi đo mà nó còn cho biết phân bố xác suất kết quả<br /> đo mức độ rối của Alice<br /> P (A) = ||ψ⟩b |2 = |Tˆ(A)|Ψ⟩b |2 .<br /> (13)<br /> Cuối cùng, khi nhận được kết quả đo P và X (trong A) từ Alice, Bob nghịch đảo dịch<br /> chuyển để thu được trạng thái gốc ban đầu, kết quả của quá trình là trạng thái ra có dạng<br /> |ψ⟩out = √<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1<br /> ˆ<br /> ˆ<br /> D(β)|ψ⟩<br /> D(β)<br /> Tˆ(A)|Ψ⟩b ,<br /> b = √<br /> P (A)<br /> P (A)<br /> <br /> (14)<br /> <br /> ở đây β = 2gA, g là một hệ số Bob dùng để hoàn thiện độ trung thực trong chuyển vị. Với<br /> sự chuyển vị một trạng thái đơn mode, độ trung thực được định nghĩa là sự chồng chập<br /> của trạng thái vào và trạng thái ra [1]<br /> ⟨<br /> F (A) = |in ψ|ψ⟩out |2 =<br /> <br /> ⟨<br /> 1<br /> ˆ<br /> Tˆ(A)|Ψ⟩b |2 .<br /> |in ψ|D(β)<br /> P (A)<br /> <br /> (15)<br /> <br /> Dựa vào độ trung thực, ta có thể đánh giá mức độ thành công của quá trình chuyển vị.<br /> Quá trình chuyển vị được với giới hạn chuyển vị là F = 0.5. Do sự rối không hoàn hảo<br /> giữa Alice và Bob, phép đo không hoàn toàn của Alice nên thực tế F (A) luôn bé hơn 1.0.<br /> Do vậy người ta đưa vào độ trung thực trung bình Fav<br /> ∫<br /> ∫<br /> ⟨<br /> ˆ<br /> Fav = d2 AP (A)F (A) = d2 A|in ψ|D(β)<br /> Tˆ(A)|Ψ⟩b |2 .<br /> (16)<br /> Nếu Fav < 0.67 sẽ cho phép mô tả một biến ẩn định xứ.<br /> Bây giờ chúng ta sẽ sử dụng mô hình chuyển vị lượng tử trên để khảo sát quá trình chuyển<br /> vị lượng tử với nguồn rối là trạng thái hai mode kết hợp đối xứng và hai mode kết hợp<br /> phản đối xứng.<br /> Thật vậy, trạng thái hai mode kết hợp đối xứng là một trạng thái rối lượng tử hai mode<br /> thỏa mãn điều kiện rối Hillery-Zubairy. Trạng thái này được sử dụng làm trạng thái rối<br /> <br /> 32<br /> <br /> NGUYỄN ĐÌNH DŨNG - TRƯƠNG MINH ĐỨC<br /> <br /> chia sẻ giữa Alice và Bob. Khi đó thông tin được mã hóa trong trạng thái kết hợp được<br /> ⟩<br /> được chuyển vị là |γ c , kết quả tính toán cho ta trạng thái ra tại Bob là<br /> ⟩<br /> ⟩<br /> ˆ<br /> |ψ out = D(χ)|ψ<br /> ,<br /> (17)<br /> B<br /> với χ = 2gA và<br /> |ψ<br /> <br /> ⟩<br /> B<br /> <br /> {<br /> [<br /> ]<br /> ⟩<br /> |α|2 |γ − 2A|2<br /> = N |β b exp −<br /> −<br /> + α(γ − 2A)<br /> 2<br /> 2<br /> ]}<br /> [<br /> ⟩<br /> |β|2 |γ − 2A|2<br /> −<br /> + β(γ − 2A) ,<br /> + |α b exp −<br /> 2<br /> 2<br /> <br /> (18)<br /> <br /> √<br /> với N = 2/ 2π(1 + x)1/2 . Độ trung thực của chuyển vị là<br /> {<br /> }<br /> ∫ ∫<br /> [<br /> ] 2<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> 2 2<br /> exp − (k − l) + (l − 1) |α| + 4l|α|(g + 1)rcosφ − 4(1 + g )r<br /> Fav =<br /> (1 + x)π<br /> {<br /> [<br /> ]<br /> [<br /> ]<br /> ×<br /> exp − 4|α|rcosφ(g + k) + exp − 4|α|rcosφ(gk + 1)<br /> }<br /> [<br /> ]<br /> [<br /> ]<br /> + 2cos 2r|α|(g + 1)(k − 1)sinφ × exp − 2r|α|(g + 1)(k + 1)cosφ rdrdφ,<br /> (19)<br /> với |β| = k|α|, |γ| = l|α|, A = reiφ , χ = 2gA và ta chỉ chú ý tới độ lớn các biên độ kết hợp<br /> |α|, |β|, |γ|. Sự phụ thuộc của Fav vào biên độ |α| và hệ số điều khiển g được biểu diễn trên<br /> Hình 2 và Hình 3<br /> <br /> 1.0<br /> <br /> 1.0<br /> <br /> 0.8<br /> <br /> (1)<br /> <br /> 0.8<br /> <br /> (1)<br /> <br /> 0.6<br /> <br /> Fav<br /> <br /> Fav<br /> <br /> 0.6<br /> <br /> 0.4<br /> <br /> 0.4<br /> (3)<br /> <br /> 0.2<br /> <br /> 0.2<br /> 0.0<br /> <br /> (2)<br /> <br /> (2)<br /> <br /> 0<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> ÈΑÈ<br /> <br /> 3<br /> <br /> (3)<br /> <br /> 4<br /> <br /> 0.0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> ÈΑÈ<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> Hình 2: Sự phụ thuộc của Fav theo |α| và g với giá trị của k = 1, l = 1, g = 0.5 với<br /> đường (1), k = 2, l = 2, g = 0.5 ứng với đường (2) và k = 2, l = 3, g = 0.5 ứng với<br /> đường (3).<br /> Hình 3: Sự phụ thuộc của Fav theo |α| và g với giá trị của k = 1, l = 1, g = 0 với<br /> đường (1), k = 1, l = 1.4, g = 0 ứng với đường (2) và k = 1.5, l = 2, g = 0 ứng với<br /> đường (3)<br /> Kết quả cho thấy rằng trạng thái hai mode kết hợp đối xứng có độ trung thực càng giảm<br /> khi mức độ rối càng tăng, cùng một giá trị của g nhưng các biên độ kết hợp càng lớn thì<br /> <br />