腔QED中基于超导量子干涉仪的量子信息处理的研究

论文摘要

量子信息是一门量子力学与信息科学完美结合的交叉学科。量子理论远不仅只是关于原子和亚原子的理论,它预示着人类对世界认识的一种全新观念,它对信息科学的革命性改造为后者开辟了全新的发展道路和应用前景。目前世界各地的研究小组提出了多种物理硬件方案以实现量子信息处理过程,其中腔量子电动力学（腔QED）是研究较早,发展较快,并且被认为是最有前途的方案之一。由于退相干和当前微观粒子操控技术等的限制,人们认为最终利用固体器件实现大规模量子计算的可能性比较大。超导量子干涉仪（SQUID）有相对长的退相干时间,易扩展;超导量子干涉仪作为量子比特,它的能谱可以通过偏压脉冲调整;将超导量子干涉仪植入腔中,可以获得SQUID与腔之间或SQUID之间的强耦合,抑制噪声和自发辐射。正是因为超导量子干涉仪与腔结合的这些优点,才使得应用SQUID-腔系统进行量子信息处理的方案越来越成为人们近年来研究的重要课题。量子克隆和量子算法的研究一直是量子信息的两个重要课题,本文主要进行了以下两方面的工作:一、提出实现腔中的超导量子干涉仪概率克隆的物理方案;二、提出用腔中的超导量子干涉仪实现Deutsch -Jozsa量子算法的物理方案。在第一项工作中,将高Q腔中的两个超导量子干涉仪分别作为初始比特和目标比特,腔模作为测量比特,首先通过腔模和经典微波脉冲与SQUID的多种相互作用实现量子概率克隆机的幺正演化,然后将腔模态映射到另一个SQUID上,通过对该SQUID磁通量的测量完成状态坍缩,从而以最优的成功概率实现量子态的精确克隆。本方案采用双光子拉曼共振过程加快了操作速率,总操作时间远小于自发辐射和腔模衰变时间,因而在实验上是可行的。在第二项工作中,利用植入腔中的超导量子干涉仪作为量子比特,借助于腔和经典脉冲的驱动,通过一系列单比特操作和控制非门实现了Deutsch -Jozsa量子算法。该方案可以推广到多个量子比特输入的情况,可用来很好地验证量子并行运算的优越性。该方案的主要优点是将信息存储在SQUID的两个稳定的低能级态上,并应用SQUID与腔的大失谐相互作用,减少了自发辐射的影响,有效地抑制了腔泄露。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 引言
• 1 量子信息简介
• 1.1 量子比特和量子逻辑门
• 1.1.1 量子比特
• 1.1.2 量子逻辑门
• 1.2 量子纠缠
• 1.3 量子并行性
• 1.4 量子信息的研究内容
• 1.4.1 量子通信
• 1.4.2 量子计算
• 2 超导量子干涉仪（SQUID）与腔场以及经典脉冲的相互作用
• 2.1 腔的基本理论
• 2.1.1 Jaynes－Cummings 模型
• 2.1.2 腔QED 的硬件系统
• 2.2 超导相关知识[51-53]
• 2.3 超导量子干涉仪（SQUID）与腔场以及经典脉冲的相互作用
• 2.3.1 超导量子干涉仪（SQUID）与腔场的共振相互作用
• 2.3.2 超导量子干涉仪（SQUID）与腔场的失谐相互作用
• 2.3.3 超导量子干涉仪（SQUID）与经典脉冲的耦合
• 2.3.4 双光子拉曼共振过程
• 2.4 受控操作
• 2.4.1 腔场对SQUID 的受控非门
• 2.4.2 两个SQUID 之间的受控相位门
• 2.4.3 两个SQUID 受控非门
• 3 基于超导量子干涉仪的概率克隆方案
• 3.1 两个非正交态的量子概率克隆
• 3.2 腔QED 中超导量子干涉仪概率克隆机的物理实现
• 3.2.1 幺正演化的实现
• 3.2.2 状态塌缩的实现
• 3.3 讨论
• 3.4 结论
• 4 DEUTSCH-JOZSA 量子算法的物理实现
• 4.1 DEUTSCH 问题的量子算法
• 4.2 DEUTSCH -JOZSA 量子算法的物理实现
• 4.3 结论
• 5 总结和展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文