1、量子信息學(xué)是信息學(xué)和量子物理學(xué)相結(jié)合的一門科學(xué)，量子信息處理為通信和計(jì)算以及其他信息處理任務(wù)開辟了新的途徑，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典通信方式以及經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)．這樣的優(yōu)勢(shì)盡管在理論上已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，但是目前實(shí)驗(yàn)上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)． 在眾多嘗試實(shí)現(xiàn)量子信息處理的量子系統(tǒng)中，光子系統(tǒng)是一個(gè)被認(rèn)為很有發(fā)展前景的系統(tǒng)，因?yàn)楣庾酉到y(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如消相干時(shí)間長(zhǎng)、光子易于傳輸以及易于制備與操作等等．然而，光子系統(tǒng)也有著很多缺點(diǎn)，比如難以存儲(chǔ)、

2、光子與光子之間難以發(fā)生相互作用等等，其中，光子與光子間的相互作用目前只能利用光子干涉和探測(cè)幾率性地實(shí)現(xiàn)，不過這樣的辦法結(jié)合量子隱形傳態(tài)的思想及編碼已經(jīng)被證明可以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子計(jì)算，由于光子干涉是實(shí)現(xiàn)光子間相互作用的核心，所以干涉的好壞往往直接影響量子信息處理的保真度，這就激起了人們對(duì)光子干涉，尤其是多光子干涉的研究，反過來，人們對(duì)光子干涉的深入研究也促進(jìn)了量子信息處理在光子體系中的實(shí)現(xiàn)．盡管光子系統(tǒng)不易受消相干影響，但是在某些情況下光

3、子不同自由度之間的耦合會(huì)影響所考慮自由度上的量子態(tài)，因此，考慮光子系統(tǒng)中的消相干機(jī)制及應(yīng)對(duì)也是很有必要的，而且，光子系統(tǒng)也是實(shí)驗(yàn)上演示驗(yàn)證各種消相干模型及應(yīng)對(duì)的一個(gè)很好選擇． 本博士論文就以上這些方面做了系統(tǒng)的綜述介紹，介紹了光子系統(tǒng)中利用線性光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)量子信息處理的基本原理及進(jìn)展，詳細(xì)介紹了我們?cè)谶@些方面取得的研究成果，主要研究成果如下： 1.多光子干涉實(shí)驗(yàn)和理論的研究 光子的干涉來源于不可區(qū)分性，多光子間的

4、可區(qū)分性相比雙光子間的可區(qū)分性要復(fù)雜得多．我們組在多光子干涉及多光子時(shí)間可區(qū)分性的刻畫方面做了一系列的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作，在其中一些工作中本人做了一些輔助的實(shí)驗(yàn)操作或輔助的理論分析，包括多光子的德布羅意波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、高精度相位測(cè)量的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)以及通過三種辦法對(duì)多光子時(shí)間可區(qū)分性的刻畫． 2.偏振糾纏W態(tài)的擴(kuò)展方案 利用光子干涉和后選擇技術(shù)，人們提出了很多制備多光子偏振態(tài)的方案，也在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一些態(tài)的制備．我們提出了擴(kuò)展

5、多光子偏振糾纏W態(tài)的方案，我們的方案簡(jiǎn)單易行，且可以制備目前成功幾率最高的三光子偏振糾纏W態(tài)，而且也為利用單光子和線性光學(xué)元件制備偏振糾纏W態(tài)提供了可能． 3.量子Fredkin門的實(shí)現(xiàn)方案 我們提出了幾種實(shí)現(xiàn)量子Fredkin門的方案，其中可預(yù)知的方案需要四個(gè)可預(yù)知的控制非門，這個(gè)方案可以簡(jiǎn)化為一個(gè)只需要兩個(gè)控制非門的后選擇方案，我們給出了一種實(shí)驗(yàn)上可能實(shí)現(xiàn)的辦法，另外我們還提出了一個(gè)利用三光子時(shí)間糾纏實(shí)現(xiàn)的方案，這個(gè)

6、方案不需要輔助光子．我們的方案雖然目前實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)難度還很大，但是我們首次為實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子Fredkin門提供了可能． 4.宇稱編碼再編碼器的構(gòu)建方案 宇稱編碼是對(duì)計(jì)算基上投影測(cè)量造成的錯(cuò)誤糾錯(cuò)的有效編碼方式，宇稱編碼再編碼過程是宇稱編碼應(yīng)用的核心．我們給出了實(shí)驗(yàn)上構(gòu)建雙光子宇稱編碼再編碼器的方案，并給出了利用這個(gè)再編碼器實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子隱形傳態(tài)的過程，我們的方案以目前的實(shí)驗(yàn)條件是可以實(shí)現(xiàn)的． 5.四光子任意偏振

7、糾纏相干保持態(tài)的制備方案 相干保持子空間已經(jīng)被證明是克服消相干的一個(gè)很有效的辦法，要想保護(hù)任意的一個(gè)邏輯量子比特的信息不受集體消相干的影響，需要至少四個(gè)量子比特構(gòu)成的相干保持子空間．我們提出了一種新的制備任意四光子偏振糾纏相干保持態(tài)的方案，這個(gè)方案實(shí)驗(yàn)上容易實(shí)現(xiàn)，且具有普適性，有可能應(yīng)用于其它量子系統(tǒng)．另外，我們方案中的核心裝置，部分交換裝置還可以用于很多其它的量子信息處理任務(wù)． 6.光子頻率與偏振耦合對(duì)偏振態(tài)造成的消相