固态自旋系统中的量子纠缠和量子计算

论文摘要

本文主要研究了一维固态自旋系统中的量子纠缠特性,通过不同的判据得到了系统存在热纠缠和基态纠缠的条件。从量子纠缠的本质出发,研究了多体量子系统中基态的临界行为。通过将这些典型的固态自旋体系应用到量子信息处理中,提出了可行的量子计算方案,并且分析了实际环境对量子计算的影响。本文以量子纠缠的定义为基础,利用可测量的物理量构造出了有效纠缠判据。通过这些判据,我们研究了一维固态自旋链的纠缠特性,如:任意自旋的海森堡链、混合自旋链和实心玻色子Hubbard链。其中,我们得到了热纠缠存在的临界温度。当体系的物理温度低于此值时,相应的热平衡态就是纠缠的,但随着温度的升高,纠缠就逐渐消失。我们把这些判据与理论判别方法进行了比较,发现这些基于可测物理量的判据给出了纠缠存在的一个充分条件。数值计算的结果表明,在具有大量粒子数的自旋系统中,当温度较低的时候,实验上也能检测到纠缠态。对于多体量子系统,本文重点研究了多体和两体的基态纠缠,找到了全局纠缠与量子相变的联系,并且发现了在实际的固态自旋系统中,两体纠缠要比多体纠缠更容易存在。为了考虑实际环境对量子纠缠的影响,本文通过主方程分析了在真空热库中少量原子的量子态的含时演化过程。当其中只有一个原子处于激发态时,那些原先处于基态的原子对就会产生量子纠缠。纠缠大小随着时间的变化类似于带阻尼的拉比振荡,振幅则受到了原子自发衰减强度的调制。通过精确求解体系的量子态,我们给出了产生纠缠的物理机制。结果表明纠缠存在的主要因素取决于不同原子间激发态和基态的跃迁几率。本文还讨论了基于固态自旋的量子计算方案。为了使系统模型更接近实际情况,我们重点考虑了非均匀和非对称的交换作用。其中,我们通过解析求解单量子位态的含时演化,得到了在海森堡XXZ模型中实现量子交换门的物理条件,分析了系统内的量子涨落对量子计算的影响,给出了可操作的实验方案。我们通过半导体量子点中电子自旋耦合的非对称性相互作用,利用单量子位旋转操作,构造出了两量子位控制非门,从而实现了精度较高的量子计算。在固态自旋系统中,人们要想在实验中实现量子信息处理,就需要克服操作距离短的困难。我们提出了以耦合自旋链作为量子计算总线的理论方案,当总线系统一直处于非简并的基态时,我们利用电极控制一些量子位与其产生弱耦合,这样我们就可以在这些量子位上间接得到有效的长程相互作用。在这个基础上,我们就构造出了一组通用量子门,从而实现长程量子计算的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 量子信息研究的历史背景
• 1.2 量子纠缠的定义和度量
• 1.3 量子计算的基本内容
• 1.4 本文研究的意义及其主要内容
• 参考文献
• 第二章 量子自旋系统中的纠缠特性
• 2.1 一维自旋链中的量子纠缠
• 2.2 混合自旋链中的量子纠缠
• 2.3 多体量子系统中纠缠与量子相变
• 2.4 噪声背景中量子纠缠的产生
• 参考文献
• 第三章 固态自旋系统中量子计算的实现
• 3.1 在各向异性的海森堡作用下的量子交换
• 3.2 量子点中自旋与轨道耦合对量子计算的影响
• 3.3 基于自旋总线的量子计算
• 参考文献
• 第四章 总结和展望
• 攻读博士学位期间完成论文情况
• 致谢
• 详细摘要