多量子位纠缠态的制备

论文摘要

建立在量子力学基础之上的量子信息学,是一门利用量子力学原理解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题的学科,它可以突破现代信息技术的物理极限,开拓新的信息发展空间。由于在量子信息学中,信息的存储、表示、提取等都离不开量子态及其演化过程,而量子纠缠态具有独特的量子关联特性,因此量子纠缠在量子信息学中起着非常重要的作用,是量子信息学发展的重要基础。然而,信息在制备、传输及存储过程中不可避免地要受到环境的影响并与环境发生相互作用,因此会出现量子退相干现象,使信息遭到破坏。因此,量子纠缠和量子相干是量子信息学中的两个重要物理资源。对于如何建立量子纠缠,控制量子态的演化,并且保持量子相干性问题的研究是量子信息理论的重要课题。在纠缠态制备方面,即在建立量子纠缠方面,两量子位纠缠态已经被广泛研究了,而多量子位纠缠比两量子位纠缠更适用于量子克隆、量子纠错、量子隐形传输和量子密集编码,是量子计算和量子信息处理的重要资源。本文主要利用腔QED系统、腔辅助光子散射系统及固态系统提出了几种多量子位纠缠态制备的理论方案,分析了各个方案的可行性,并且,讨论了如何消除量子退相干的影响。量子退相干现象的存在会破坏量子纠缠,因此,了解纠缠的演化特性对我们更好地控制纠缠,避免量子退相干的影响是非常重要的。我们首先对分别处于两个失谐腔中的两个远距离原子之间的纠缠演化做了初步探讨,比较了Concurrence和Negativity对纠缠的评价。结果表明,两原子的纠缠演化出现纠缠突然死亡现象。当两个腔场的粒子数相等时,随着粒子数的增加,纠缠死亡和纠缠产生的频率加快,同时Concurrence的振幅也出现规则的振荡且振荡频率变慢。当两个腔场的粒子数不等时,Concurrence的最大值明显衰减,并且,Concurrence的振幅不再出现规则振荡现象。此外,我们发现纠缠死亡时间依赖于初始纠缠。基于腔QED技术,我们提出了利用一个Λ型原子和两个二能级原子依次与双模腔的两个模或一个模发生相互作用制备三原子W态和三原子GHZ态的理论方案。在方案中,三个原子依次进入腔中与腔场发生相互作用,通过适当地选择相互作用时间可以很方便地制备三原子W态和三原子GHZ态。在考虑场衰减和原子自发辐射时,只要原子和腔发生强耦合相互作用,我们也可以得到高保真的纠缠态。基于腔辅助光子散射技术,我们首次提出了制备χ型四原子纠缠态∣χ00?3214的理论方案。在方案中,我们利用原子和光子间控制反转门的实现,在仅使用了若干简单的线性光学元件和一个传统光学探测器的情况下成功地制备了χ型四原子纠缠态∣χ00?3214。由于光子与环境之间的相互作用很弱,适合于远距离的量子信息传输,只要没有光子损失,我们就可以成功地制备χ型四原子纠缠态∣χ00?3214。量子退相干现象的存在,使量子纠缠受到破坏进而使通信出现噪声或使计算结果出现误差。为了克服退相干,我们可以将量子位编码在Hilbert的一个子空间——无退相干子空间(DFS),这样噪声和误差就会被消除。因此,我们同样基于腔辅助光子散射技术提出了制备任意四原子纠缠DFS态的理论方案。在方案中,我们只需方便地调节一个半波片的倾角就可以得到任意四原子纠缠DFS态。与腔QED系统和线性光学系统相比,固态量子位之间的纠缠更稳定,更容易建立多量子位纠缠,因此,基于自旋网络这一固态系统,我们提出了制备多量子位图态的理论方案。首先,通过XY相互作用实现了χSWAP门,然后,我们利用χSWAP门及单量子位旋转操作制备了在局域幺正变换和图形同构情况下三种典型的不等价的四量子位图态和四种典型的不等价的五量子位图态。与基于传统控制非门和控制相位门制备纠缠态的方案相比,我们的方案利用自旋系统的χSWAP门,相互作用时间短,且纠缠能力强,可以有效地避免量子退相干的影响,并且更适合于可扩展量子计算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 量子纠缠在量子信息学中的应用
• 1.2.1 量子隐形传输
• 1.2.2 量子密集编码
• 1.2.3 量子密钥分配
• 1.3 制备纠缠态的物理系统及研究进展
• 1.3.1 腔QED 系统
• 1.3.2 离子阱系统
• 1.3.3 非线性晶体SPDC 系统
• 1.3.4 腔辅助光子散射系统
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 量子纠缠及其度量
• 2.1 引言
• 2.2 量子纠缠态概念的提出
• 2.3 量子纠缠态的基本类型
• 2.4 量子纠缠的度量
• 2.4.1 量子态的可分离性判据
• 2.4.2 几种常用的量子纠缠度量方法
• 2.5 利用量子纠缠的度量方法评价量子纠缠态的演化特性
• 2.5.1 孤立原子与Jaynes-Cummings 原子纠缠的时间演化
• 2.5.2 两个分别处于失谐腔中的远距离原子纠缠的时间演化
• 2.5.3 讨论与结论
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于腔QED 技术的纠缠态制备
• 3.1 引言
• 3.2 基于腔QED 技术的多粒子纠缠态制备
• 3.3 捕获在腔中强耦合区的三个原子GHZ 态的制备
• 3.4 基于腔QED 技术的非全同三原子W 和GHZ 纠缠态的制备
• 3.4.1 三原子纠缠的制备
• 3.4.2 考虑原子自发辐射和腔衰减时三原子纠缠的制备
• 3.5 讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于腔辅助光子散射技术的纠缠态制备
• 4.1 引言
• 4.2 χ型四原子纠缠态的制备
• 4.2.1 χ 型类∣χ00（?）3214 纠缠态的制备
• 00（?）3214 的制备'>4.2.2 基于腔辅助光子散射技术的χ 型四原子纠缠态∣χ⁰⁰（?）3214 的制备
• 4.2.3 讨论与结论
• 4.3 任意四原子无退相干纠缠态的制备
• 4.3.1 基于SPDC 的四光子极化纠缠DFS 态的几种特殊叠加态的制备
• 4.3.2 基于SPDC 的任意四光子极化纠缠DFS 态的制备
• 4.3.3 基于腔辅助光子散射技术的四原子极化纠缠DFS 态的制备
• 4.3.4 讨论与结论
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于自旋网络的多量子位图态的制备
• 5.1 引言
• 5.2 基本模型
• 5.3 图态的概念与特性
• 5.4 图态的制备
• 5.4.1 典型的四量子位图态制备
• 5.4.2 典型的五量子位图态制备
• 5.5 讨论
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历