光子态的威力：从量子计算到宇宙学

本论文从几个不同但相关的视角探索光子资源的威力。其范围从量子计算、精密参数估计到相对论量子系统的热力学，特别是应用于宇宙学。第1章，我们提出一种称为“单量子模式之威力”(power of one qumode)的新量子计算模型，主要依赖单模光子压缩态。特别地，我们表明压缩量能在定量上将因数分解的资源需求与寻找大酉矩阵迹的问题联系起来，这一结果对理解量子计算究竟有多强大有意义。此外，我们可以将压缩与其他已知资源如精度、能量、qudit维度及 qubit 数目相联系，这是寻找赋能量子计算的资源的有用垫脚石。第2章，我们利用光子态的量子力学性质用于一般线性光学过程的精密参数估计，这适用于多种应用，从表征光子量子计算机中的未知过程到生物成像。我们引入量化此精度提升的形式体系。我们还给出了可轻易检验在此背景下最优光子态的条件，这对未来实验工作可能是重要结果。第3章，我们探索量子光学中常用的双模压缩态与相对论量子过程特别是宇宙学中的联系。利用此联系，我们应用近期发展的远非平衡扰动量子系统热力学工具，从一个令人惊讶的新角度处理宇宙学中熵产生的老问题。